前言

C++多態(tài)是在繼承的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，了解多態(tài)之前我們需要掌握一定的C++繼承的知識(shí)，本文將介紹C++中多態(tài)的概念，構(gòu)成條件以及用法。

1.多態(tài)的概念

多態(tài)，通俗來(lái)講就是多種形態(tài)，具體點(diǎn)就是去完成某個(gè)行為，當(dāng)不同的對(duì)象去完成時(shí)會(huì)產(chǎn)生出不同的狀態(tài)。比如，在買票這一行為，普通人買票是全價(jià)買票，學(xué)生買票是半價(jià)買票，而軍人買票是優(yōu)先買票；再比如動(dòng)物園的動(dòng)物叫這個(gè)行為，不同的動(dòng)物叫聲是不一樣的。這些都是生活中多態(tài)的例子。

2.C++中多態(tài)的分類

(1)靜態(tài)多態(tài)

靜態(tài)多態(tài)是指在編譯時(shí)實(shí)現(xiàn)的多態(tài)，比如函數(shù)重載，看似是調(diào)用同一個(gè)函數(shù)其實(shí)是在調(diào)用不同的。
比如我們使用cout這個(gè)對(duì)象來(lái)調(diào)用<<時(shí)：

int i=1;
double d=2.2;
cout<<i<<endl;
cout<<d<<endl;

雖然調(diào)用的都是<<，但其實(shí)調(diào)用的是不同的操作符重載之后的函數(shù)。

函數(shù)重載在之前的文章中詳細(xì)講解過，這里就不再贅述。

(2)動(dòng)態(tài)多態(tài)

動(dòng)態(tài)多態(tài)也就是我們通常所說的多態(tài)，本文以下內(nèi)容均為動(dòng)態(tài)多態(tài)內(nèi)容。動(dòng)態(tài)多態(tài)是在運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)的，

當(dāng)一個(gè)父類對(duì)象的引用或者指針接收不同的對(duì)象(父類對(duì)象or子類對(duì)象)后，調(diào)用相同的函數(shù)會(huì)調(diào)用不同的函數(shù)。

這段話也許比較繞，這里只是給出一個(gè)概念，可以結(jié)合下面的例子來(lái)進(jìn)行理解。

3.多態(tài)的構(gòu)成條件

(1)舉例

我們先根據(jù)一個(gè)構(gòu)成例子來(lái)理解多態(tài)構(gòu)成的條件：

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Person
{
public: 
    virtual void BuyTicket()
    {
        cout << "全價(jià)買票" << endl;
    }
};
class Student :public Person
{
public:
    virtual void BuyTicket()
    {
        cout << "半價(jià)買票" << endl;
    }
};
void Func(Person& p)
{
    p.BuyTicket();
}
int main()
{
    Person p1;
    Student p2;
    Func(p1);
    Func(p2);
}

我們先來(lái)看這樣一段代碼，其中子類Student繼承了父類。運(yùn)行起來(lái)打印的結(jié)果是：

我們?cè)诜从^上述中動(dòng)態(tài)多態(tài)的定義，用父類的引用或者指針（這里使用的是Person& p）來(lái)接收不同類型的對(duì)象（p1和p2），該引用或指針調(diào)用相同的函數(shù)(都調(diào)用了p.BuyTicket())，都調(diào)用了各自類中不同的函數(shù)(打印的結(jié)果不同)。我們將這一過程稱為動(dòng)態(tài)多態(tài)。

如果我們不傳指針或者引用，那么將不構(gòu)成多態(tài)（原理會(huì)在多態(tài)原理中詳細(xì)解讀）。

(2)兩個(gè)概念

在解釋多態(tài)的構(gòu)成條件之前我們還需要了解兩個(gè)概念。

虛函數(shù)

虛函數(shù)，即被virtual修飾的類成員函數(shù)稱為虛函數(shù)。

比如上面代碼中父類和子類的成員函數(shù)就是虛函數(shù)。

virtual void BuyTicket()
    {
        cout << "全價(jià)買票" << endl;
    }

關(guān)于虛函數(shù)還需要注意幾點(diǎn)：

1.普通的函數(shù)不能是虛函數(shù)，只能是類中的函數(shù)。

2.靜態(tài)成員函數(shù)不能加virtual

總結(jié)起來(lái)就是只能是類的非靜態(tài)成員函數(shù)才能去形成虛函數(shù)。

虛函數(shù)的重寫

虛函數(shù)的重寫又稱為虛函數(shù)的覆蓋（重寫是表面意義上的，覆蓋是指原理上的）：派生類中有一個(gè)根基類完全相同的虛函數(shù)(即派生類虛函數(shù)與基類虛函數(shù)的返回值類型，函數(shù)名，參數(shù)列表完全相同)，稱子類的虛函數(shù)重寫了父類的虛函數(shù)。

//父類中的虛函數(shù)
virtual void BuyTicket()
    {
        cout << "全價(jià)買票" << endl;
    }
//子類中的虛函數(shù)
virtual void BuyTicket()
    {
        cout << "半價(jià)買票" << endl;
    }

兩個(gè)虛函數(shù)滿足返回值類型相同，函數(shù)名相同，參數(shù)列表相同。因此子類的虛函數(shù)重寫了父類的虛函數(shù)。

注意，只有虛函數(shù)才能構(gòu)成重寫。

(3)多態(tài)的構(gòu)成條件

多態(tài)的構(gòu)成滿足兩個(gè)條件：

1.必須通過基類的指針或者引用調(diào)用虛函數(shù)。

2.被調(diào)用的虛函數(shù)的派生類必須完成了對(duì)基類虛函數(shù)的重寫。

我們?cè)趤?lái)看上面的代碼，確實(shí)滿足該條件：

1.使用了父類引用p來(lái)調(diào)用虛函數(shù)。

2.派生類的虛函數(shù)完成了對(duì)基類的虛函數(shù)的重寫。

我們首先要明確使用多態(tài)的目的，就是使用不同的對(duì)象去完成同一個(gè)任務(wù)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。
如果我們拿掉以上任何一個(gè)條件都不會(huì)再構(gòu)成多態(tài)，比如我們不使用指針或者引用去接收對(duì)象從而調(diào)用虛函數(shù)，而是使用對(duì)象呢？

void Func(Person p)
{
    p.BuyTicket();
}

此時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，打印的結(jié)果發(fā)生了變化：

這是不滿足我們的預(yù)期的，因?yàn)椴煌膶?duì)象傳給了p，p調(diào)用相同的函數(shù)卻打印了相同的結(jié)果。

我們還可以將更改參數(shù)列表或者將父類的virtual拿掉，發(fā)現(xiàn)依然不是我們想要的結(jié)果。

但是有兩個(gè)特殊的情況除外：

4.虛函數(shù)重寫的兩個(gè)例外

(1)協(xié)變

如果我們將父類和子類中的虛函數(shù)的返回值設(shè)為不同，可能會(huì)發(fā)生如下報(bào)錯(cuò)：

協(xié)變指的是：派生類重寫基類虛函數(shù)時(shí)，與基類虛函數(shù)返回值類型不同。即基類的虛函數(shù)返回基類對(duì)象的指針或者引用，派生類虛函數(shù)返回派生類對(duì)象的指針或者引用時(shí)，稱為協(xié)變。

簡(jiǎn)單來(lái)說就是兩者的返回值是父子關(guān)系的指針或者引用。

舉一個(gè)例子：

class A{};
class B:public A
    {};
class Person
{
public: 
    virtual A* BuyTicket()
    {
        A a;
        cout << "全價(jià)買票" << endl;
        return &a;
    }
};
class Student :public Person
{
public:
    virtual B* BuyTicket()
    {
        B b;
        cout << "半價(jià)買票" << endl;
        return &b;
    }
};

我們將上一段代碼進(jìn)行了改寫，定義了B繼承A，而在Person和Student兩個(gè)類中的虛函數(shù)中將返回值分別置為A和B，由于A和B是繼承關(guān)系，所以仍然可以構(gòu)成多態(tài)，我們稱派生類的虛函數(shù)為基類的虛函數(shù)的協(xié)變。

注意返回值必須是指針或者引用，對(duì)象不會(huì)構(gòu)成協(xié)變。

(2)析構(gòu)函數(shù)的重寫

首先我們先回顧一下沒有構(gòu)成多態(tài)的析構(gòu)函數(shù)調(diào)用：只需要子類對(duì)象銷毀時(shí)無(wú)需手動(dòng)銷毀父類對(duì)象，會(huì)自動(dòng)調(diào)用父類對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)。

1.如果基類的析構(gòu)函數(shù)為虛函數(shù)，此時(shí)子類的析構(gòu)函數(shù)無(wú)論加不加virtual，都是對(duì)父類的析構(gòu)函數(shù)的重寫。

2.雖然子類和父類的析構(gòu)函數(shù)的函數(shù)名不同，但其實(shí)編譯器對(duì)析構(gòu)函數(shù)的名稱進(jìn)行了特殊的處理，都處理成了destructor。

下面舉例說明，將Person和Student寫入析構(gòu)函數(shù)：

//父類中的析構(gòu)函數(shù)
   virtual ~Person()
   {
        cout << "~Person" << endl;
    }
//子類中的析構(gòu)函數(shù)
    virtual ~Student()
    {
        cout << " ~Student" << endl;
    }
//主函數(shù)
    Person* p1 = new Person;
    Person* p2 = new Student;
    delete p1;
    delete p2;    

構(gòu)成多態(tài)的結(jié)果是，Person*類型的p1和p2，接收兩個(gè)不同類型的對(duì)象即Person類型和Student類型，在調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的時(shí)候可以分開調(diào)用(子類對(duì)象調(diào)用子類的析構(gòu)函數(shù)，父類對(duì)象調(diào)用父類的析構(gòu)函數(shù)。)

我們將上述代碼運(yùn)行一下，會(huì)發(fā)現(xiàn)：

結(jié)果的確是如此，當(dāng)析構(gòu)父類對(duì)象時(shí)，調(diào)用父類的析構(gòu)函數(shù)，當(dāng)析構(gòu)子類對(duì)象時(shí)，調(diào)用的是子類的析構(gòu)函數(shù)和父類的析構(gòu)函數(shù)。

如果我們不使用父類指針進(jìn)行管理，而是使用對(duì)象來(lái)接收子類對(duì)象呢？

    Student p2;
    Person p3 = p2;

此時(shí)我們發(fā)現(xiàn)打印的結(jié)果是：

在析構(gòu)p3的時(shí)候，并沒有根據(jù)按Student類的規(guī)則來(lái)進(jìn)行析構(gòu)。

同時(shí)，當(dāng)我們將派生類的virtual去掉的時(shí)候，仍然可以構(gòu)成多態(tài)，這與底層原理有關(guān)，在下面的介紹中會(huì)提及。為了統(tǒng)一性，不建議將virtual拿掉，C++大佬為了防止發(fā)生不必要的內(nèi)存泄漏，所以設(shè)置了這一規(guī)則。這就導(dǎo)致所有的其實(shí)派生類的所有虛函數(shù)virtual都可以省略。這是由于其繼承了基類的virtual屬性，具體的還要在底層去理解，再?gòu)?qiáng)調(diào)一遍，盡量不要在派生類中省略virtual。

5.final與override

(1)final

限制類不被繼承

但我們想要設(shè)計(jì)一個(gè)不被繼承的類時(shí)，目前我們知道的有一種方法：就是將父類的構(gòu)造函數(shù)設(shè)為私有(這是因?yàn)樽宇愋枰{(diào)用父類的構(gòu)造函數(shù)來(lái)進(jìn)行初始化)。如果使用這種方式，定義父類對(duì)象的話需要使用單例模式。

final提供了另一種方式來(lái)限制一個(gè)類不會(huì)被繼承。

只需要在不想被繼承的類后加final即可：

class Person final
{
public: 
    virtual A* BuyTicket()
    {
        A a;
        cout << "全價(jià)買票" << endl;
        return &a;
    }
    virtual ~Person()
   {
        cout << "~Person" << endl;
    }
};

此時(shí)如果子類去繼承Person的話會(huì)報(bào)錯(cuò)。

限制虛函數(shù)不被重寫

當(dāng)我們?cè)诤瘮?shù)后加上final的時(shí)候，該虛函數(shù)將不能被子類中的虛函數(shù)重寫，否則會(huì)發(fā)生報(bào)錯(cuò)。

    virtual A* BuyTicket() final
    {
        A a;
        cout << "全價(jià)買票" << endl;
        return &a;
    }

(2)override

將override放在子類的重寫的虛函數(shù)后，判斷是否完成重寫（重寫的是否正確）

     virtual B* BuyTicket(int i=10) override
    {
        B b;
        cout << "半價(jià)買票" << endl;
        return &b;
    }

注意：final關(guān)鍵字放在父類的位置，override關(guān)鍵字放在子類的位置。

6.抽象類

在虛函數(shù)的后面加上=0，則這個(gè)函數(shù)為純虛函數(shù)。包含純虛函數(shù)的類叫做抽象類(也叫做接口類)，抽象類不能實(shí)例化出對(duì)象。派生類繼承后也不能實(shí)例化出對(duì)象。**只有重寫虛函數(shù)，派生類才能實(shí)例化出對(duì)象。**注意雖然不能實(shí)例化出對(duì)象，但是可以定義指針。

抽象類的存在本質(zhì)上來(lái)說就是希望我們?cè)谂缮愔兄貙懜割惖奶摵瘮?shù)。抽象類中的虛函數(shù)一般只聲明，不實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闆]有意義。我們可以搭配override來(lái)使用。

//將父類中寫入純虛函數(shù)，父類變成抽象類
class Person
{
public: 
    virtual A* BuyTicket() =0//純虛函數(shù)
    {
        A a;
        cout << "全價(jià)買票" << endl;
        return &a;
    }
    virtual ~Person()
   {
        cout << "~Person" << endl;
    }
};

此時(shí)子類必須只有重寫虛函數(shù)才能定義對(duì)象。通常情況下現(xiàn)實(shí)中沒有的事物，定義成抽象類會(huì)比較合適。

雖然我們不能使用抽象類來(lái)定義對(duì)象，但是我們可以使用抽象類來(lái)定義指針。

class Car
{
public:
    virtual void Drive() = 0
    {
        cout << " Car" << endl;
    }
};
class Benz :public Car
{
public:
    virtual void Drive()
    {
        cout << "Benz" << endl;
    }
    void f()
    {
        cout << "f()" << endl;
    }
};
int main()
{
    //Car* p = nullptr;
    //p->Drive();//程序會(huì)崩潰
    Car* a = new Benz;
    a->Drive();
}

我們可以使用父類指針去接收子類對(duì)象，同時(shí)調(diào)用函數(shù)。但是不能使用父類去創(chuàng)建對(duì)象。

7.總結(jié)

C++多態(tài)的目的在于當(dāng)我們使用父類的指針或者引用去接收子類的對(duì)象后，接收不同的子類對(duì)象的父類指針或者引用調(diào)用的相同的函數(shù)產(chǎn)生的結(jié)果不同。

重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)多態(tài)的幾個(gè)條件：

一是用父類的指針或者引用來(lái)接收。

二是子類必須對(duì)父類的虛函數(shù)進(jìn)行重寫。