C++ 表情包趣味教程 👉 《C++要笑着学》
💭 写在前面
"大家好久不见，我们最近比较忙，专栏的更新速度明显缓慢了许多，我们会尽力更新的。"
本章我们继续讲解面向对象三大特性，上一章我们讲解了继承，本章我们讲解多态。从多态的概念一步步讲解，介绍构成多态的必要条件和两个例外。还会顺带讲解一下 C++11 更新的两个和多态有关系的关键字 final 和 override。上一章我们讲解了虚函数，本章会先补充纯虚函数的概念，然后再引入抽象类的概念。本章我们只学习C++多态的基础知识，至于多态的原理（VTBL、决议等）的难度相对较大，我们单独放到下一章去做专门讲解。
Ⅰ. 多态（polymorphism）
0x00 多态的概念
多态，就是 "多种形态" 的意思。
说具体点就是：去完成某个行为，不同的对象去做会产生不同的结果（状态）。
比如说地铁站买票这个行为，普通人、学生、军人买票是不同的。
普通人必须买全价票，学生就可以买半价票，而军人可以优先购买到预留票：
比如有一个 BuyTicket 买票的成员函数，创建普通人、学生和军人三个对象，他们调用该函数形态结果我们就要设计成不一样的。
再举个例子，某款APP推出会员，分为以下四种用户类型：
这些不同类型的用户去调用商品的 Pay 付款接口，形态结果是不一样的。
比如会员会给你来一个：
"尊敬的xxx会员您好，您本次消费xxx元~ "
可能还会给你安排联系专属客服的按钮，然后在结算时给你显示出打折后的价格，就是这么高贵！
所以由此可见，我们需要一种特性来做到这种 "分类" 的操作，这时我们就可以将其实现成多态。
0x01 重写（覆盖）
我们先用代码实现一下我们刚才的购票场景。
这里我们当然是用继承了，将 Student 和 Soldier 继承自 Person：
class Person {};
class Student : public Person {};
class Soldier : public Person {};
并且既然是要设计多态，我们就要为这三个身份设计不同的 BuyTicket
这里用 virtual 虚函数，并且做到函数名、参数和返回值相同，就能够达到 "重写" 的效果：
class Person {
public:
// [virtual] + [返回值] + [函数名] + [参数] 相同 = 构成多态
👇 👇 👇 👇
virtual void BuyTicket () {
cout << "Person: 买票-全价 100￥" << endl;
}
};
class Student : public Person {
public:
// 这里也都相同
virtual void BuyTicket() {
cout << "Student: 买票-半价 50￥" << endl;
}
};
class Soldier : public Person {
public:
// 这里也都相同
virtual void BuyTicket() {
cout << "Soldier: 优先买预留票-全价 100￥" << endl;
}
};📚 概念：重写也称为覆盖，重写即重新改写。
重写是为了将一个已有的事物进行某些改变以适应新的要求。
重写是子类对父类的允许访问的方法的实现过程进行重新编写，返回值和形参都不能改变。 即：
"外壳不变，核心重写。"
最后我们再设计一个 Pay 函数去接收不同的身份，以调用对应的 BuyTicket
这里我们可以用指针和引用，这里我们先用指针：
void Pay(Person* ptr) {
ptr->BuyTicket();
}（构成多态的条件我们下面会细讲，这里先看代码实现）
💬 代码演示：BuyTicket
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
// 虚函数
virtual void BuyTicket() {
cout << "Person: 买票-全价 100￥" << endl;
}
};
class Student : public Person {
public:
// 虚函数 + 函数名/参数/返回 -> 重写（覆盖）
virtual void BuyTicket() {
cout << "Student: 买票-半价 50￥" << endl;
}
};
class Soldier : public Person {
public:
// 虚函数 + 函数名/参数/返回 -> 重写（覆盖）
virtual void BuyTicket() {
cout << "Student: 优先买预留票-全价 100￥" << endl;
}
};
/* 接收身份 */
void Pay(Person* ptr) {
ptr->BuyTicket(); // 到底是谁在买票，取决于传来的是谁
}
int main(void)
{
int option = 0;
Person p;
Student st;
Soldier so;
do {
cout << "1.普通人 2.学生 3.军人" << endl;
cout << "请选择身份：";
cin >> option;
switch (option)
{
case 1:
Pay(&p);
break;
case 2:
Pay(&st);
break;
case 3:
Pay(&so);
break;
default:
cout << "输入错误！请重新输入！" << endl;
break;
}
} while (option != -1);
return 0;
}
🚩 运行结果：
我们现在还想在用户选完名字后可以输入姓名：
cout << "1.普通人 2.学生 3.军人" << endl;
cout << "请选择身份：";
cin >> option;
cout << "请输入你的姓名：";
string name;
cin >> name;
因此我们增加一个 _name
class Person {
public:
Person(const char* name)
: _name(name) {}
// 虚函数
virtual void BuyTicket() {
cout << _name << ": " << "Person: 买票 - 全价 100￥" << endl;
}
protected:
string _name;
};
class Student : public Person {
public:
Student(const char* name)
: Person(name) {}
// 虚函数 + 函数名/参数/返回 -> 重写（覆盖）
virtual void BuyTicket() {
cout << _name << ": " << "Student: 买票-半价 50￥" << endl;
}
};
class Soldier : public Person {
public:
Soldier(const char* name)
: Person(name) {}
// 虚函数 + 函数名/参数/返回 -> 重写（覆盖）
virtual void BuyTicket() {
cout << _name << ": " << "Soldier: 优先买预留票-全价 100￥" << endl;
}
};
由于多了一个参数，我们创建对象的地方也需要修改，我们可以直接 new：
/* 接收身份 */
void Pay(Person* ptr) {
ptr->BuyTicket(); // 到底是谁在买票，取决于传来的是谁
delete ptr;
}
int main(void)
{
int option = 0;
//Person p;
//Student st;
//Soldier so;
do {
cout << "1.普通人 2.学生 3.军人" << endl;
cout << "请选择身份：";
cin >> option;
cout << "请输入你的姓名：";
string name;
cin >> name;
switch (option) {
case 1:
Pay(new Person(name.c_str()));
break;
case 2:
Pay(new Student(name.c_str()));
break;
case 3:
Pay(new Soldier(name.c_str()));
break;
default:
cout << "输入错误！请重新输入！" << endl;
break;
}
cout << endl;
} while (option != -1);
return 0;
}
🚩 运行结果：
我们现在就做到了不同类型的对象做不同的事情，这就是用多态实现出来的效果。
0x02 多态构成的条件
多态是 在不同继承关系的类对象中去调用同一个函数，产生了不同的行为。
比如我们刚才的 Student 继承了 Person，Person 买票是全价，但 Student 买票却是半价：
📌 注意：继承中想要构成多态，必须满足以下两个条件：
- ① 必须是子类的虚函数重写成父类函数（重写：三同 + 虚函数）
- ② 必须是父类的指针或者引用去调用虚函数。
* 三同指的是：同函数名、同参数、同返回值。
* 虚函数：即被 virtual 修饰的类成员函数。
💬 代码演示：既然还可以用引用去调用虚函数，我们来把它改成引用的方式接收身份试试：
/* 接收身份 */
void Pay(Person& ref) {
ref.BuyTicket(); // 到底是谁在买票，取决于传来的是谁
}
我们不用 new 了，我们试试能不能在 case 里面创建 Person、Student、Solider 然后传给 Pay：
switch (option) { ❌
case 1:
Person p(name.c_str());
Pay(p);
break;
case 2:
Student st(name.c_str());
Pay(st);
break;
case 3:
Soldier so(name.c_str());
break;
default:
cout << "输入错误！请重新输入！" << endl;
break;
}
啊这，这是为什么，难道 switch 里面不能定义对象吗？遇到问题，百度一下看看：
放个花括号？我们加上试试看：
int main(void)
{
int option = 0;
do {
cout << "1.普通人 2.学生 3.军人" << endl;
cout << "请选择身份：";
cin >> option;
cout << "请输入你的姓名：";
string name;
cin >> name;
switch (option) {
case 1: {
Person p(name.c_str());
Pay(p);
break;
}
case 2: {
Student st(name.c_str());
Pay(st);
break;
}
case 3: {
Soldier so(name.c_str());
break;
}
default:
cout << "输入错误！请重新输入！" << endl;
break;
}
cout << endl;
} while (option != -1);
return 0;
}
🚩 运行结果：
（加了花括号就可以了）
由此可见，我们也可以用父类的引用去调用虚函数。
❓ 思考：用对象行不行呢？
void Pay(Person* ptr) { // 指针
ptr->BuyTicket();
delete ptr;
}
void Pay(Person& ref) { // 引用
ref.BuyTicket();
}
void Pay(Person obj) { // 用对象可以吗？
obj.BuyTicket();
}
不可以，我们说过，必须是父类的指针或者引用才能调用虚函数。
对象虽然可以传，但是符合不了多态的条件，自然就无法构成多态：
这时调用的都是父类的那一个，具体的原因我们放到下一章讲解多态原理的时候去说明。
至此，我们验证了 "必须是父类的指针或者引用去调用虚函数" 这段话。
0x03 协变构成多态
虚函数重写有两个例外，我们先讲解第一个例外。
💬 观察下面的代码，并没有达到 "三同" 的标准，它的返回值是不同的，但依旧构成多态：
class A {};
class B : public A {};
class Person {
public:
virtual A* f() {
cout << "virtual A* Person::f()" << endl;
return nullptr;
}
};
class Student : public Person {
public:
virtual B* f() {
cout << "virtual B* Student:::f()" << endl;
return nullptr;
};
};
int main(void)
{
Person p;
Student s;
Person* ptr = &p;
ptr->f();
ptr = &s;
ptr->f();
return 0;
}🚩 运行结果：
💡 因为虚函数的重写要求有一个例外 —— 协变（Covariant）。
但是协变也是有条件的，协变的类型必须是父子关系。
💬 代码演示：当你不是父子关系时，就不能协变：
class A {};
class B {}; // 我们取消A与B的父子关系
class Person {
public:
virtual A* f() {
cout << "virtual A* Person::f()" << endl;
return nullptr;
}
};
class Student : public Person {
public:
virtual B* f() {
cout << "virtual B* Student:::f()" << endl;
return nullptr;
};
};🚩 运行结果：（报错）
error C2555: “Student::f”: 重写虚函数返回类型有差异，且不是来自“Person::f”的协 message : 参见“Person::f”的声明
当然了，刚才用的是指针，引用也是可以的：
class A {};
class B : A {};
class Person {
public:
virtual A& f() {
cout << "virtual A* Person::f()" << endl;
return nullptr;
}
};
class Student : public Person {
public:
virtual B& f() {
cout << "virtual B* Student:::f()" << endl;
return nullptr;
};
};0x04 父虚子非虚构成多态
我们现在来讲第二个例外。
💬 父类的虚函数没了无法构成多态：
class Person {
public:
A* f() {
cout << "virtual A* Person::f()" << endl;
return nullptr;
}
};
class Student : public Person {
public:
virtual B* f() {
cout << "virtual B* Student:::f()" << endl;
return nullptr;
};
};
int main(void)
{
Person p;
Student s;
Person* ptr = &p;
ptr->f();
ptr = &s;
ptr->f();
return 0;
}🚩 运行结果：
💬 但是，子类的虚函数没了却能构成多态：
class A {};
class B : public A {};
class Person {
public:
virtual A* f() {
cout << "virtual A* Person::f()" << endl;
return nullptr;
}
};
class Student : public Person {
public:
B* f() {
cout << "virtual B* Student:::f()" << endl;
return nullptr;
};
};
int main(void)
{
Person p;
Student s;
Person* ptr = &p;
ptr->f();
ptr = &s;
ptr->f();
return 0;
}🚩 运行结果：
啊这，这都不是虚函数了怎么也能构成多态呢？怎会如此！
💡 解答：子类虚函数没有写 virtual，但 f 依旧是虚函数，是因为先继承了父类的函数接口声明。
子类继承父类的虚函数是一种接口继承，所以即使子类的 virtual 没写，它也是虚函数，符合多态条件。
这是重写父类虚函数的实现，也就是说父类有 virtual 的属性，子类也就有了。
最后，虽然子类虚函数可以不加 virtual，但是我们自己写的时候 子类虚函数建议加上 virtual。
🔺 总结：父类为虚函数，子类继承其父的情况下，即使不声明 virtual
0x05 析构函数的重写
💬 观察下列代码：
class Person {
public:
~Person() {
cout << "~Person()" << endl;
}
};
class Student : public Person {
public:
~Student() {
cout << "~Student()" << endl;
}
};
int main(void)
{
Person p;
Student s;
return 0;
}🚩 运行结果：
❓ 思考：这三行分别是谁的？
💡 解读：第一行和第二行是 Student s 的，第三行是 Person p 的。我们来看看析构顺序，Student s 是后定义的，析构顺序是后定义先析构。根据子类对象析构先子后父，调用子类的析构函数结束后自动调用父类的析构函数，所以第一行的 ~Student() 和第二行的 ~Person() 都是 Student 的，随后第三行的 ~Person() 是 Person p 自己调的。
现在这两个析构函数默认是隐藏关系，
因为它们的函数名会被同一处理修改成 destructor：
但是如果我用 virtual 修饰 ~Person，我们知道，如果这加了不管 ~Student 加不加 virtual，
子类都会跟着父类变身成 virtual，那么现在这两个析构函数还是隐藏关系吗？
如果 Person 的析构函数加了 virtual，它们的关系就变了：
然并卵，对普通对象来说，这里加 virtual
class Person {
public:
virtual ~Person() {
cout << "~Person()" << endl;
}
};
class Student : public Person {
public:
// 隐藏（重定义）关系 -> 重写（覆盖） 关系
~Student() {
cout << "~Student()" << endl;
}
};
int main(void)
{
// delete 调用 Person 的析构，对这个也没有影响
Person* ptr1 = new Person;
delete ptr1;
// 但是对这样的场景会产生影响
Person* ptr2 = new Student;
delete ptr2;
return 0;
}🚩 运行结果：
干脆直接用一个 ptr 去演示好了：
Person* ptr = new Person;
delete ptr; // ptr->destructor() + operator delete(ptr)
ptr = new Student;
delete ptr; // ptr->destructor() + operator delete(ptr)
刚才我们看到了，如果这里不加 virtual，~Student 是没有调用析构的。
你可能会想这有啥，那是因为这里没场景，这其实是非常致命的，是不经意间会发生的内存泄露。
💬 比如下面这个场景，我们是希望 delete 谁调用的就是谁的析构：
class Person {
public:
~Person() {
cout << "~Person()" << endl;
}
};
class Student : public Person {
public:
// 隐藏（重定义）关系 -> 重写（覆盖） 关系
~Student() {
cout << "~Student()" << endl;
delete[] _name;
cout << "delete: " << (void*)_name << endl;
}
private:
char* _name = new char[10]{ 'h', 'e', 'l', 'l', 'o' };
};
int main(void)
{
// 我们期望 delete ptr 调用析构函数是一个多态调用
Person* ptr = new Person;
delete ptr; // ptr->destructor() + operator delete(ptr)
ptr = new Student;
delete ptr; // ptr->destructor() + operator delete(ptr)
return 0;
}🚩 运行结果：
但是结果让我们很失望，Student
💬 我们加上 virtual
class Person {
public:
virtual ~Person() {
cout << "~Person()" << endl;
}
};
... 🚩 运行结果：
完成了正确的调用。
🔺 结论：如果设计的类可能会作为父类，析构函数最好设计成虚函数，即加上 virtual。
像刚才这种场景不加上 virtual 就会发生内存泄露，可怕的是还是悄无声息的！
报错不可怕，怕的是这种悄无声息的，像这种内存泄露找起来可是相当的恶心。
0x06 final 关键字（C++11）
如果我有个虚函数，但我不想让它被人重写：
class Car {
public:
// 我是虚函数，但我不想被人重写，怎么办？
virtual void Drive() {}
};
class Benz : public Car {
public:
// Drive 被人重写了
virtual void Drive() {
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
这种情况，就可以将 C++11 的 final 关键字置于函数尾部：
class Car {
public:
virtual void Drive() final {}
};
class Benz : public Car {
public:
virtual void Drive() { ❌
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};🚩 运行结果：（报错）
E1850 无法重写“final”函数 "Car::Drive"
final 不仅能让虚函数不能被重写，还能让直接把类的继承功能一刀砍了。
我们上一章探讨过实现一个 "不能被继承的类" ，是通过将构造函数私有化的方式去实现的，
构造函数私有化后子类就创建不出对象了，自然也就不能用了。
但是这种 "将构造函数私有化的方式" 其实并不是一种特别好的方式：
class Car {
public:
private: // 将构造函数私有化
Car() {}
};
class Benz : public Car {
public:
virtual void Drive() {
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
int main(void) {
return 0;
}
这样运行后不会报错，因为它并不阻止继承行为，它还是会给子类继承的，
这种方式是以间接的方式去实现的，当你创建子类对象的时候才会报错：
int main(void) {
Benz car; ❌
return 0;
}间接让子类创建不了对象，因为子类的构造函数必须调用父类的构造函数进行初始化，
而父类的构造函数被私有化了，子类不可见。通过这样联合的方式间接实现了 "不能被继承的类"。
💬 上面的方式是 C++98 的间接方式，到了C++11 final 登场后就有了更直观的实现方式：
// C++11
class Car final {
public:
Car() {}
};
// 此时就不能被继承了
class Benz : public Car ❌ {
public:
virtual void Drive() {
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
将 final 放在类名后面，该类就不能被继承了，因此你不用创建对象他就可以报错给你检查出来。
final
以后如果你想让某个类不能被继承，就可以在类名后面加上 final 关键字。
" 用屠龙宝刀 final 一刀给它阉了，直接断子绝孙，既然就无法继承了。"
🔺 总结：final 的两个作用
0x07 override 关键字（C++11）
相信大家也体会到了 C++ 对函数重写的要求是非常严格的，
但是人难免会犯错，有些时候可能会导致函数名次序写反而无法构成重载，
而这种错误在编译期间是不会报的，因此往往只有在程序运行时你发现没有得到预期结果，
去 debug 找个半天才能将问题找出，这会让人感到非常的不爽：
"妈的，原来是函数名次序写反了"
C++11 为了增加容错率，推出了 final 和 override，find 是禁止重写，override
find 我们刚才说过了，我们现在介绍一下 override
💬 代码演示：override
// C++11
class Car {
public:
virtual void Drive() {}
};
// override 写在子类中：要求严格检查是否完成重写，如果没有重写就报错
class Benz : public Car {
public:
virtual void Drive() override {
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
如果没有完成重写，就会报错：
class Car {
public:
void Drive() {} ❌
};
class Benz : public Car {
public:
virtual void Drive() override {
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
有了 override 修饰，像如果没有加 virtual 或参数不同就会报错。
当然，子类是可以省略 virtual 的，父类有 virtual 子类继其虚，override 不会犯病报错放心使用。
override 在某些场景是非常有用的，拿我们刚才举的 "函数名次序写反了” 的例子说：
在想要重写的地方加上 override，如果你大意了不小心没构成重写，
它能直接报错，能让你免去痛苦的调试找 BUG 环节！请说：谢谢 override！
" 谢谢 override "
🔺 总结：override
0x08 重载、覆盖、隐藏的对比
Ⅱ. 抽象类（Abstract Class）
0x00 纯虚函数和抽象类
在虚函数的后面写上 =0，则我们称这个函数为 "纯虚函数"。
"一眼顶针鉴定为 —— 纯纯的虚函数"
包含纯虚函数的类，就是 抽象类（abstract class），也叫接口类。
/* 抽象类 */
class Car {
public:
virtual void Drive() = 0; // 纯虚函数
};
抽象类不能实例化出对象，子类即使在继承后也不能实例化出对象：
只有重写纯虚函数，子类才能实例化出对象：
/* 抽象类 */
class Car {
public:
virtual void Drive() = 0;
};
// 如果父类是抽象类，子类必须重写才能实例化
class BMW : public Car {
public:
virtual void Drive() { // 重写
cout << "BMW-操控性" << endl;
}
};
int main(void)
{
BMW b;
b.Drive();
return 0;
}
🚩 运行结果：
（间接要求你重写）
如果 override 是直接要求你重写，那设计成抽象类就是间接要求你重写。
override 是放在子类虚函数，检查重写，它们的功能其实是有一些重叠和相似的。
纯虚函数规范了子类必须重写，另外虚函数更体现出了接口继承。
🔺 总结：抽象类不能实例化出对象，子类即使在继承后也不能实例化出对象，除非子类重写。
0x01 抽象类为什么叫抽象类？
❓ 为什么要叫抽象类？和纯虚函数又有什么关系呢，难道是因为抽象带蓝子太受欢迎了嘛？
（吃饱喝足去敲代码）
当然不是。叫抽象类是很合理的。艺术中也有抽象的概念，我们来欣赏一下抽象派的代表作：
（毕加索经典之作）
抽象在现实一般没有具体对应的实体，而不能实例化对象也就是没有实体，所以叫抽象类。
"抽象即不可名状，对应的是具象，具象即现实，抽象即虚拟。"
0x02 抽象类指针
虽然父类是抽象类不能定义对象，但是可以定义指针。
定义指针时如果 new 父类对象因为是纯虚函数，自然是 new 不出来的，但是可以 new 子类对象：
/* 抽象类 */
class Car {
public:
virtual void Drive() = 0;
};
class Benz : public Car {
public:
virtual void Drive() {
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
int main(void)
{
Car* pBenz1 = new Benz;
pBenz1->Drive();
Benz* pBenz2 = new Benz;
pBenz2->Drive();
return 0;
}
🚩 运行结果：
0x03 纯虚函数的实现问题
纯虚函数也是可以实现的：
/* 抽象类 */
class Car {
public:
// 实现没有价值，因为压根没有对象会调用它
virtual void Drive() = 0 { // 纯虚函数
cout << "Drive()" << endl;
}
};
但是，纯虚函数的实现没有什么太大意义，因为根本就没人能用它。
你实现一个东西是为了让人能调用你，纯虚函数谁能调用？根本没有人能调用它。
所以纯虚函数一般给个声明就可以了，它本身就是一个接口继承。
0x04 关于接口继承和实现继承（补充说明）
普通函数的继承是一种实现继承，子类继承了父类函数，可以使用函数，继承的是函数的实现。
虚函数的继承是一种接口继承，子类继承的是父类虚函数的接口，目的是为了重写，
达成多态，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。
出现虚函数就是为了提醒你重写的，以实现多态。如果虚函数不重写，那写成虚函数就没价值了。
📌 [ 笔者 ] 王亦优
📃 [ 更新 ] 2022.8.29
❌ [ 勘误 ] /* 暂无 */
📜 [ 声明 ] 由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，
本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！
📜 参考资料 C++reference[EB/OL]. []. http://www.cplusplus.com/reference/. Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. . 百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/. 比特科技. C++[EB/OL]. 2021[2021.8.31]. |
