C++ 多态和虚函数详解

本文章内容来源于C++课堂上的听课笔记

多态基础

多态（Polymorphism）是面向对象编程中的一个重要概念，它允许使用统一的接口来表示不同的对象和操作。多态性有两种主要形式：静态多态性（编译时多态性）和动态多态性（运行时多态性）

多态性分为两类: 静态多态性和动态多态性

静态多态性（编译时多态性）：
定义：在编译时确定方法的调用，通常与函数重载（overloading）相关。
例子：方法重载是一种静态多态性的体现，编译器在编译时能够根据方法的参数类型或个数来选择正确的方法

class StaticPolymorphism {
public:
    void display(int value) {
        // ...
    }

    void display(double value) {
        // ...
    }
};

注意：重载（overload）和重写（override）的区别，下面是个重写的例子：

#include <iostream>
using namespace std;
class CA 
{  public:
 void f(int)
   { cout << "CA::f(int)"<< endl; }}; 
class CB : public CA 
{   public:
	void f(int) {cout << "CB::f(int) "
                                 << endl;} 
	void f(int,int) {cout << "CB::f(int,int)" << endl; } 
	int f(int,int,int) {
                  cout << "CB::f(int,int,int)"
                          << endl; }
	  void test() {
                f(1);  f(1,1); f(1,1,1); }};
 int main() 
 {  CB B;
    B.test();}

如果把上面的void f(int) {cout << "CB::f(int) "<< endl;} 注释掉，会发生什么错误？

原因：在调用一个类的成员函数时,编译器会沿着类的继承链逐级的向上查找函数的定义,如果找到了则停止查找如果派生类CB和基类CA都有同一个同名函数f(不论参数是否相同),编译器最终将选择派生类中的函数,即派生类的成员函数“隐藏”了基类的成员函数, 它阻止了编译器继续向上查找函数的定义

所以如果修改成下面这样就可以运行了：

#include <iostream>
using namespace std;
class CA 
{  public:
 void f(int)
   { cout << "CA::f(int)"<< endl; }}; 
class CB : public CA 
{   public:
	  void test() {
                f(1);  }};
 int main() 
 {  CB B;
    B.test();}

动态多态性（运行时多态性）：
定义：在运行时确定方法的调用，通常与虚函数（virtual function）和继承相关。
例子：通过虚函数和基类指针实现动态多态性，可以在运行时选择调用合适的函数。

#include<iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    virtual void display() {
        // ...
        cout<<1<<endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void display()  override{
        // ...
        cout<<2<<endl;
    }
};

int main() {
    Base* ptr = new Derived();
    ptr->display(); // 在运行时调用 Derived 类的 display 方法
    delete ptr;
    return 0;
}

静态多态性和动态多态性的区别：
时机不同：静态多态性在编译时确定，动态多态性在运行时确定。

实现机制不同：静态多态性通常与函数重载等相关，而动态多态性通常与虚函数和继承相关。

使用场景不同：静态多态性适用于编译时能够确定的情况，而动态多态性适用于在运行时确定的情况。

总的来说，多态性是面向对象编程的一个强大特性，它允许代码更加灵活、可扩展和易维护。

虚函数

在面向对象编程中，我们有时候会有一系列的类，它们可能会有一些相同的函数名，但是具体的实现可能会因为类的不同而有所不同。虚函数就是为了解决这个问题而设计的。

想象一下，你有一群动物，比如猫、狗、鸟等，它们都能发出声音。你可能会定义一个名为 makeSound 的函数来表示这个动作。但是，猫“喵喵”叫，狗“汪汪”叫，鸟“啾啾”叫，它们的叫声不同。这时候，你就可以使用虚函数了

#include<iostream>
using namespace std;
class Animal {
public:
    virtual void makeSound() {
        // 这里可以是一个默认的实现，也可以是空的
    }
};
class Cat : public Animal {
public:
    void makeSound() override {
        std::cout << "喵喵" << std::endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    void makeSound() override {
        std::cout << "汪汪" << std::endl;
    }
};

class Bird : public Animal {
public:
    void makeSound() override {
        std::cout << "啾啾" << std::endl;
    }
};
int main()
{
	Animal* myPet = new Dog();
	myPet->makeSound();  // 输出：汪汪
	Cat cat;
	Bird bird;
	myPet = &cat;
	myPet->makeSound();
	myPet = &bird;
	myPet->makeSound();
	return 0;
}

如果基类的函数不加关键字virtual会发生什么？

1.所有派生类的相关函数不能添加override关键字（以为实际上没有重写）

2.函数最终调用的是基类的函数，但可能使用对应派生类对象的数据

举个例子展示不用virtual时的情况

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Student
{public:
   Student(int, string,float);
   void display( );                                            
  protected:
   int num;
   string name;
   float score;
 };
Student::Student(int n, string nam,float s) 
 {num=n;name=nam;score=s;}

void Student::display( ) 
{cout<<"num:"<<num<<"\nname:"<<
name<<"\nscore:"<<score<<"\n\n";}
class Graduate: public Student
{public:
   Graduate(int, string, float, float);                          
   void display( );                                             
private:
  	float pay;
};

void Graduate::display( ) {cout<<"num:"<<num<<"\nname:"<<name<<"\nscore:"<<score<<"\npay="<<pay<<endl;}

Graduate::Graduate(int n, string nam,float s,float p):Student(n,nam,s),pay(p){ }
int main()
 { 
  Student stud1(1001,"Li",87.5);                   
  Graduate grad1(2001,"Wang",98.5,563.5); 
  Student *pt=&stud1;                            
  pt->display( );
  pt=&grad1;
  pt->display( );
  return 0;
 }

如果修改成虚函数，即Student类中函数声明变为：

virtual void display( );

运行结果

在派生类中重新定义此函数，要求函数名、函数类型、函数参数个数和类型全部与基类的虚函数相同，当一个成员函数被声明为虚函数后，其派生类中的同名函数都自动成为虚函数。派生类重新声明该虚函数时，可以加virtual，也可以不加

下面我们通过修改上述代码来证明这一点

添加类Test

class Test: public Graduate
{
	public:
		Test(int ,string,float,float,int);
		void display();
	private:
		int others;
};
void Test::display( ) {cout<<"\n\nnum:"<<num<<"\nname:"<<name<<"\nscore:"<<score<<"\nothers="<<others<<endl;}

Test::Test(int n, string nam,float s,float p,int o):Graduate(n,nam,s,p),others(o){ }

main中添加：

Test t(9999,"s",11,22,33);
  pt=&t;
  pt->display();

结果：

说明Graduate派生类Test中的同名函数display已经成为虚函数，如果不是虚函数，应该输出下面的结果：
num:1001
name:Li
score:87.5

num:2001
name:Wang
score:98.5
pay=563.5

num:9999
name:s
score:11
pay=22

静态关联和动态关联

在C++中，静态关联和动态关联是面向对象编程中两个关键的概念，通常与继承和多态性相关

静态关联（Static Binding）：
概念：静态关联发生在编译时，编译器在编译阶段就能够确定程序中各个函数或方法的调用关系。
实现：在静态关联中，编译器根据函数或方法的声明类型来确定调用哪个函数或方法，这种绑定在编译时期就已经确定，因此称为静态关联。
优点：效率高，因为在编译时已经确定了函数调用关系，不需要在运行时进行额外的查找。
例子： C++中的函数重载是一种静态关联的例子，编译器在编译时根据参数的类型和数量确定调用哪个重载版本。

动态关联（Dynamic Binding）：
概念：动态关联发生在运行时，程序在执行过程中才能够确定调用哪个函数或方法。
实现：在动态关联中，通常通过使用虚函数和指针（或引用）来实现。这种绑定在运行时根据实际对象的类型确定，因此称为动态关联。
优点：提供了更高的灵活性和可扩展性，允许在运行时根据实际情况改变调用关系。
例子： C++中的虚函数和纯虚函数是动态关联的例子。当基类指针或引用指向派生类对象，并调用虚函数时，根据实际对象的类型来确定调用哪个版本的函数

什么情况下适合声明虚函数？
1.基类预期被继承：如果你设计一个基类，并且希望它能够作为其他类的基础，支持多态性，那么你应该在基类中声明虚函数。这样，派生类就有机会覆盖这些虚函数，实现自己的版本
2.需要运行时动态绑定：如果你希望在运行时根据对象的实际类型来调用函数，而不是根据指针或引用的静态类型，那么你应该使用虚函数。这种动态绑定提供了多态性的特性
3.需要覆盖基类函数：如果你希望派生类能够覆盖基类中的同名函数，以提供特定于派生类的实现，那么这个函数应该声明为虚函数
4.实现抽象类和接口：如果你想要创建一个抽象类（包含至少一个纯虚函数）或者接口，那么你应该声明虚函数。这样的类不能被实例化，但可以作为基类供其他类继承并实现虚函数

虚析构函数

在C++中，析构函数是用来在对象生命周期结束时进行清理工作的函数。而当我们在面向对象的程序设计中使用继承时，有时候我们会遇到这样的情况：基类指针指向派生类对象。

如果你使用了继承，并且在基类和派生类中都定义了析构函数，那么就有可能发生一个问题。当你使用基类指针指向派生类对象时，如果你删除这个指针，只会调用基类的析构函数，而不会调用派生类的析构函数。这可能导致一些资源（比如内存）没有得到正确释放，从而产生问题。

这时候，虚析构函数就发挥作用了。在基类的析构函数前面加上virtual关键字，就可以将它声明为虚析构函数。这样，当你通过基类指针删除派生类对象时，会正确地调用派生类的析构函数。

#include<iostream>
using namespace std;
class Base {
public:
    virtual ~Base() {
        // 基类的清理工作
        cout<<"Base Destruction"<<endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    ~Derived()  {
        // 派生类的清理工作
        cout<<"Derived Destruction"<<endl;
    }
};
int main()
{
	Base *pt=new Derived;
	delete pt;
	return 0;
}

这里，~Base()是虚析构函数，而~Derived()覆盖了基类的虚析构函数。当你使用基类指针指向派生类对象时，通过这个基类指针删除对象时，会正确地调用~Derived()来完成清理工作，确保所有相关资源都被正确释放。

总的来说，虚析构函数是为了在继承层次结构中正确地释放资源而引入的。通过使用虚析构函数，可以确保在删除基类指针时正确调用派生类的析构函数，从而实现正确的资源清理。

纯虚函数和抽象类

抽象类：
首先，想象一下你要画一只动物的图，但是你不知道具体是什么动物，只知道它是动物。你可能会画一些共性的特征，比如四条腿、有尾巴等。这个画得很模糊的图就好比一个抽象类。
在编程中，抽象类也是一种类，但是它是一种不完整的类，不能被实例化（也就是不能创建对象）。抽象类里面可能包含了一些方法（函数），但是这些方法没有具体的实现，只是一个声明。抽象类的存在是为了给其他类提供一种共同的接口，让这些类去继承它并实现这些方法。
纯虚函数：
再想象一下，你画的那只动物，有一些特征是必须由具体的动物来定义的，比如各种动物的叫声。这时，你可以把叫声这个特征标记为一个“待定”项，告诉其他人，这个特征必须由实际的动物类来具体实现。
在编程中，这个“待定”项就是纯虚函数。一个纯虚函数是在抽象类中声明的虚函数，但是没有具体的实现。它的目的是让派生类强制实现这个方法，以使抽象类变得更加具体。
综合起来，抽象类是一种不完整的类，包含一些没有具体实现的方法，其中可能包含了纯虚函数。而纯虚函数是为了强制派生类实现某些方法，使得抽象类可以更具体、更有实际意义。在C++中，含有纯虚函数的类就被称为抽象类

注意！
1.凡是包含纯虚函数的类都是抽象类，包含纯虚函数的类是无法建立对象的
2.如果在抽象类所派生出的新类中对基类的所有纯虚函数进行了定义，那么这些函数就被赋予了功能，可以被调用。这个派生类就不是抽象类，而是可以用来定义对象的具体类。如果在派生类中没有对所有纯虚函数进行定义，则此派生类仍然是抽象类，不能用来定义对象
3.虽然抽象类不能定义对象(或者说抽象类不能实例化)，但是可以定义指向抽象类数据的指针变量
下面举一个综合性例子体现上面所说的一切：

#include <iostream>

// 抽象类 Animal
class Animal {
public:
    // 纯虚函数，表示动物的叫声
    virtual void makeSound() const = 0;

    // 普通方法，表示动物的一般特征
    void sleep() const {
        std::cout << "Zzz..." << std::endl;
    }
};

// 具体的动物类 Lion（狮子）
class Lion : public Animal {
public:
    // 实现了纯虚函数，给出了狮子的叫声
    void makeSound() const override {
        std::cout << "Roar!" << std::endl;
    }
};

// 具体的动物类 Elephant（大象）
class Elephant : public Animal {
public:
    // 实现了纯虚函数，给出了大象的叫声
    void makeSound() const override {
        std::cout << "Trumpet!" << std::endl;
    }
};

// 具体的动物类 Monkey（猴子）
class Monkey : public Animal {
public:
    // 猴子并没有实现纯虚函数 makeSound
    // 因此 Monkey 仍然是抽象类
};

int main() {
    // 1. 尝试创建抽象类的对象，编译错误
    // Animal animal;  // 编译错误，抽象类不能实例化

    // 2. 使用抽象类指针，指向派生类对象
    Animal* lion = new Lion();
    Animal* elephant = new Elephant();
    // Animal* monkey = new Monkey();  // 编译错误，抽象类不能实例化

    // 调用纯虚函数，实际上会调用相应派生类的实现
    lion->makeSound();     // 输出：Roar!
    elephant->makeSound(); // 输出：Trumpet!

    // 调用抽象类的普通方法
    lion->sleep();
    elephant->sleep();

    // 3. 定义指向抽象类的指针变量
    Animal* abstractAnimal = nullptr;  // 可以定义指针变量

    // 4. 尝试使用派生类 Monkey，编译错误
    // Monkey monkeyObj;  // 编译错误，抽象类不能实例化

    delete lion;
    delete elephant;

    return 0;
}