前言

最近為了完成數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，又復(fù)習(xí)起了《C++ Primer》，上一次看這本巨著也是大二下的六月份，那時(shí)看面向?qū)ο蟪绦蚓幊踢@一章還云里霧里的，沒(méi)有領(lǐng)會(huì)多態(tài)的奧妙，學(xué)完 Java 之后回頭再看這一章發(fā)現(xiàn)對(duì)多態(tài)有了更好的理解。好記性不如爛筆頭，本篇博客將會(huì)對(duì) C++ 的多態(tài)機(jī)制做一個(gè)不太詳細(xì)的總結(jié)，希望下一次不需要從頭再看一遍《C++ Primer》了 _(:з」∠)_。

多態(tài)

多態(tài)離不開(kāi)繼承，首先來(lái)定義一個(gè)基類?Animal，里面有一個(gè)虛函數(shù)?speak()：

class Animal {
public:
    Animal() = default;
    Animal(string name) : m_name(name) {}
    virtual ~Animal() = default;

    virtual void speak() const { cout << "Animal speak" << endl; }
    string name() const { return m_name; }

private:
    string m_name;
};

接著定義子類?Dog，并重寫虛函數(shù)，由于構(gòu)造函數(shù)無(wú)法繼承，所以使用?using?來(lái) “繼承” 父類的構(gòu)造函數(shù)。和父類相比，Dog?還多了一個(gè)?bark()?方法。

class Dog : public Animal {
public:
    using Animal::Animal;

    // 可加上 override 聲明要重寫虛函數(shù)，函數(shù)簽名必須和基類相同（除非返回類自身的指針或引用）
    void speak() const override { cout << "Dog bark" << endl; }
    void bark() const { cout << "lololo" << endl; }
};

向上轉(zhuǎn)型

我們?cè)诙焉蟿?chuàng)建一個(gè)?Dog?對(duì)象，并將地址賦給一個(gè)?Animal?類型的指針。由于指針指向的是個(gè)?Dog?對(duì)象，調(diào)用?speak()?方法時(shí)，實(shí)際上調(diào)用的是底層狗狗重寫之后的?speak()?方法，而不是基類?Animal?的?speak()。也就是說(shuō)編譯時(shí)不會(huì)直接確定要調(diào)用的是哪個(gè)?speak()?，要在運(yùn)行時(shí)綁定。

Animal* pa = new Dog("二哈");
pa->speak(); // 調(diào)用的是 Dog::speak
pa->Animal::speak(); // 強(qiáng)制調(diào)用基類的 speak

利用運(yùn)行時(shí)綁定這一特點(diǎn)，我們將基類的析構(gòu)函數(shù)定義為虛函數(shù)，這樣子類對(duì)象在析構(gòu)的時(shí)候就能調(diào)用自己的虛函數(shù)了。

雖然?pa?指向的是一個(gè)?Dog?對(duì)象，但是不能使用?bark()?方法。因?yàn)?pa?是一個(gè)?Animal?類型的指針，在編譯時(shí)編譯器會(huì)跳過(guò)?Dog?而直接在?Animal?的作用域中尋找?bark?成員，結(jié)果發(fā)現(xiàn)并不存在此成員而報(bào)錯(cuò)。

要實(shí)現(xiàn)向上轉(zhuǎn)型不止能用指針，引用同樣可以實(shí)現(xiàn)。但是如果寫成以下這種形式，實(shí)質(zhì)上是調(diào)用了拷貝構(gòu)造函數(shù)，會(huì)用?Dog?的基類部分來(lái)初始化?Animal?對(duì)象，和向上轉(zhuǎn)型沒(méi)有任何關(guān)系，之后調(diào)用的就是底層?Animal?對(duì)象的?speak()?方法：

Dog dog("二哈");
Animal animal = dog;
animal.speak(); // 調(diào)用的是 Animal::speak

向下轉(zhuǎn)型

要想調(diào)用底層?Dog?對(duì)象的?bark()?方法，我們需要將?pa?強(qiáng)轉(zhuǎn)為?Dog?類型的指針。一種方法是使用?static_cast?進(jìn)行靜態(tài)轉(zhuǎn)換，另一種這是使用?dynamic_cast?進(jìn)行運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)換。相比于前者，dynamic_cast<type *>?轉(zhuǎn)換失敗的時(shí)候會(huì)返回空指針，而?dynamic_cast<type &>?則會(huì)報(bào)?bad_cast?錯(cuò)誤，因此更加安全。

Dog* pd_ = static_cast<Dog *>(pa);
pd_->bark();

if (Dog* pd = dynamic_cast<Dog*>(pa)) {
    pd->bark();
} else {
    cout << "轉(zhuǎn)換失敗" << endl;
}

作用域

子類的作用域是嵌套在父類里面的，在子類的對(duì)象上查找一個(gè)成員時(shí)，會(huì)現(xiàn)在子類中查找，如果沒(méi)找到才回去父類中尋找。由于作用域的嵌套，會(huì)導(dǎo)致子類隱藏掉父類中的同名成員。比如下述代碼：

class Animal {
public:
    virtual void speak() const
    {
        cout << "Animal speak" << endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    // void speak() const override { cout << "Dog speak" << endl; }
    void speak(string word) const
    {
        cout << "Dog bark: " + word << endl;
    }
};

int main(int argc, char const* argv[])
{
    Animal* pa = new Dog();
    Dog* pd = new Dog();
    // pd->speak(); 報(bào)錯(cuò)
    pd->speak("666"); // Dog::speak 隱藏了 Animal::speak
    return 0;
}

我們?cè)诟割愔卸x了一個(gè)虛函數(shù)?void speak()，子類中沒(méi)有重寫它，而是定義了另一個(gè)同名但是參數(shù)不同的函數(shù)?void speak(string word)。這時(shí)候子類中的同名函數(shù)會(huì)隱藏掉父類的虛函數(shù)，如果寫成?pd->speak()，編譯器會(huì)先在子類作用域中尋找名字為?speak?的成員，由于存在?speak(string word)，它就不會(huì)接著去父類中尋找了，接著進(jìn)行類型檢查，發(fā)現(xiàn)參數(shù)列表對(duì)不上，會(huì)直接報(bào)錯(cuò)。如果用了 VSCode 的 C/C++ 插件，可以看到參數(shù)列表確實(shí)只有一個(gè)，沒(méi)有提示有重載的同名函數(shù)。

要想通過(guò)調(diào)用基類的?speak()?方法，有兩種方法：

• 向上轉(zhuǎn)型，使用基類的指針?pa?來(lái)調(diào)用?pa->speak()，由于子類沒(méi)有重寫虛函數(shù)，所以在動(dòng)態(tài)綁定時(shí)會(huì)調(diào)用父類的虛函數(shù)；
• 使用作用域符強(qiáng)制調(diào)用父類的虛函數(shù)：pd->Animal::speak()

《C++ Primer》對(duì)名字查找做了一個(gè)非常好的總結(jié)：

理解函數(shù)調(diào)用的解析過(guò)程對(duì)于理解 C++ 的繼承至關(guān)重要，假定我們調(diào)用?p->mem()?(或者?obj.mem())，則依次執(zhí)行以下4個(gè)步驟：

1.首先確定?p?(或?obj) 的靜態(tài)類型。因?yàn)槲覀冋{(diào)用的是一個(gè)成員，所以該類型必 然是類類型。

2.在?p?(或?obj?) 的靜態(tài)類型對(duì)應(yīng)的類中查找?mem。如果找不到，則依次在直接基類中不斷查找直至到達(dá)繼承鏈的頂端。如果找遍了該類及其基類仍然找不到，則編譯器將報(bào)錯(cuò)。

3.一旦找到了?mem，就進(jìn)行常規(guī)的類型檢查以確認(rèn)對(duì)于當(dāng)前找到的?mem,本次調(diào)用是否合法。

4.假設(shè)調(diào)用合法，則編譯器將根據(jù)調(diào)用的是否是虛函數(shù)而產(chǎn)生不同的代碼：

• 如果mem是虛函數(shù)且我們是通過(guò)引用或指針進(jìn)行的調(diào)用，則編譯器產(chǎn)生的代 碼將在運(yùn)行時(shí)確定到底運(yùn)行該虛函數(shù)的哪個(gè)版本，依據(jù)是對(duì)象的動(dòng)態(tài)類型。
• 反之，如果?mem?不是虛函數(shù)或者我們是通過(guò)對(duì)象（而非引用或指針）進(jìn)行的調(diào)用，則編譯器將產(chǎn)生一個(gè)常規(guī)函數(shù)調(diào)用。