C++ 2022 年 7 月 26 日

[C++] 多态的使用分析: 多态使用相关问题、协变、析构函数的多态、final与override关键词、抽象类分析...

C++继承里面有一些坑是为C++的多态服务的。比如, 继承类的析构函数构成隐藏, 为什么？有什么意义？等

上一篇文章详细介绍了C++的继承, 继承是面向对象的三大特性之一。但是C++继承里面有一些坑是为C++的多态服务的。比如, 继承类的析构函数构成隐藏, 为什么？有什么意义？为什么父类对象不能直接复制给子类对象, 而父类指针和父类对象可以赋值给子类指针和子类引用？这些问题都可以在多态中解答

多态我打算用两篇文章来介绍, 一篇 只涉及使用, 而另一篇则更深入的去了解一些原理

本篇文章是C++ 多态介绍的第一篇文章, 也是涉及 C++多态使用 的一篇

下面就来介绍一下多态:

什么是多态？

在生活中你一定遇到过, 同一件事但是面对不同的对象却有着不同执行策略, 比如出去旅游去景区买票时, 不同类型的人, 票价一般是不同的: 普通人一般是全价, 而学生一般是半价, 不足1.2米的儿童、60/70岁以上老人免票或者军人优先购票、半价等等

这就是同一件事情, 但是对不同的对象有着不同的执行策略。这就是生活中的多态

C++ 也可以通过多态来实现类似的场景, 可能表现为: 不同的对象调用同一个函数, 但是执行的结果不同。

下面就用C++ 多态来模拟实现一下, 普通成年人、学生、军人、老人关于景区买票而可能会出现的多态场景

多态的使用

要实现多态调用, 需要满足两个条件:

必须是父类的指针 或 父类的引用 来调用 虚函数
被调用的函数必须是 虚函数, 并且此 虚函数 必须被重写

这两个条件提及了两个名词 : 虚函数 、重写

先介绍一下 虚函数 在上一篇文章中接触了一个C++中的关键字 virtual , 用于解决菱形继承的数据冗余和二义性的问题, 将菱形继承改为菱形虚拟继承不仅是虚拟继承, 虚函数 也是使用关键字virtual 定义的

在上图的继承体系中, 可以看到四个类都存在一个函数名相同的成员函数 buyTicket

在普通的继承当中, 父子类存在同函数名的函数构成隐藏但上图继承体系中, 很明显的每个成员函数的函数名前都加了 virtual, 函数名前加 virtual 的函数被称为虚函数 父类中的虚函数, 在子类中如果存在 同名、同返回值类型、同参数的函数, 则 构成函数重写, 而不构成隐藏

什么是重写？

C++ 类成员函数中加 virtual 的函数被称为 虚函数 如果这个类存在子类, 且其子类中存在与父类中的虚函数 函数名、函数参数、函数返回值类型都相同 的函数, 则称子类重写了父类的虚函数, 或 父类虚函数被重写

即重写是父类虚函数与子类函数的关系, 且如果想要构成重写, 这需要满足两个必要条件:

父类中的函数必须是虚函数, 即必须有 virtual

子类中的函数 与父类中虚函数的函数名、函数参数、函数返回值类型都相等

必须同时满足这两个条件, 则称子类重写了父类的虚函数

子类中的函数不写 virtual 也同样构成重写, 但是建议写上可读性比较强

所以上图中的继承体系, Person类中的成员函数 virtual void buyTicket() 分别被 Student、Elderly、Soldier类中的 virtual void buyTicket() 重写了

既然构成了重写, 就可以使用父类指针或父类引用来进行多态调用:

上述示例中, 函数BuyTicket(Person& per) 使用 父类引用作为参数, 在函数体内调用成员函数 buyTicket

四次调用分别传入不同类型的对象作为参数, 除Person对象之外, 其他类型对象传参发生切片, 也就意味着函数中的Person& 是 不同类型对象的Person部分的引用

如果函数参数是 Person* 类型也是同理, 即 Person 指向不同类型对象的Person部分*

所以, 父子类函数满足重写时, 父类指针或父类引用指向哪个对象, 调用函数时就会调用对应类中的函数, 这就是C++中的多态调用

协变

C++ 规定, 父子类虚函数必须 同函数名、同函数参数、同函数返回值类型, 才能构成重写

但其实有两个例外, 可以让父子类虚函数的 返回值类型不相同时也可以构成重写

当父类虚函数的返回值类型是父类指针时, 子类虚函数返回值类型可以是子类指针, 同样构成重写
当父类虚函数的返回值类型是父类引用时, 子类虚函数返回值类型可以是子类引用, 也构成重写

如果将之前示例中的继承体系改为上面两种, 重写同样成立:

而这种写法: 父子类虚函数的返回值类型为父子类的指针或引用, 重写依旧成立。被称为协变

析构函数的多态

父子类中一般的虚函数都可以指定函数名、函数参数、函数返回值类型, 进而构成重写, 在进而构成多态

在某种场景之下, 析构函数也是需要构成多态的, 用于方便不同类型对象的析构

但是析构函数的函数名是指定的——为 ~类名() , 怎么对析构函数进行重写呢？

还记得在介绍 C++ 继承的时候提到过“ 父子类中各自的析构函数构成隐藏, 因为编译器会 **将父子类的析构函数统一为 ~destructor **, 并且解释说这是为了多态的使用

现在看来, 编译器已经为析构函数做好了准备, 我们只需要将 父子类的析构函数设置为虚函数 就可以构成重写, 进而构成多态了:

使用上面的继承体系:

即使析构函数显式定义函数名不同, 编译器也会将继承体系中的所有析构函数统一为 ~destructor 为多态做准备

C++11: final、override

C++对虚函数重写的判定是非常严格的, 稍有不注意可能就会发生一些运行错误。一个大的项目中, 运行错误通常是不容易找到的

所以, C++11中, 对多态又增加了两个新的关键字: final 和 override

final:

意为最终, 作用也非常的简单: 添加在虚函数函数名之后, 可以禁止此虚函数被重写, 即表示此函数已经是最终的函数不能再改变

override

override 的作用, 则是用于子类的虚函数检查此虚函数是否完成了对父类虚函数的重写, 若没有完成重写, 则报错

抽象类

抽象一词有意思是, 不具体的。这个意思用来描述抽象类也是非常合适的

不具体的类, 其实就是不能实例化对象的类

什么样的类才能被称为抽象类？包含纯虚函数的类是抽象类

问题又来了, 什么是纯虚函数？

C++ 规定, 在一个虚函数函数名后加上 =0 那么这个虚函数就变成了纯虚函数

如上图所示, Clothes类中包含了一个纯虚函数, 那么 Clothes类就是一个抽象类, 抽象类是无法实例化对象的:

并且, 抽象类的子类也是无法实例化对象的:

继承了抽象类的类, 也就继承了抽象类的纯虚函数, 所以抽象类的子类也无法实例化对象

但是, 当 子类重写了父类的纯虚函数时, 子类就可以实例化对象 了, 并且可以多态调用:

一个纯虚函数的函数内容是无意义的

因为包含纯虚函数的类不能实例化对象, 其子类也得重写纯虚函数才能实例化对象

所以纯虚函数的函数内容是无意义的, 这一点更加说明了父类虚函数被继承且重写时, 对子类来说是接口继承

接口继承分析

至此, 本篇文章已经提到了两次 接口继承, 那么究竟什么是接口继承？

其实接口继承, 意思就是子类只继承了父类虚函数的接口, 而没有继承父类虚函数的实现

还是以, Clothes类体系为例:

父类的纯虚函数根本没有函数实现, 所以无法实例化对象也无法正常调用

而子类对父类的纯虚函数进行了重写, 子类就可以实例化对象并且可以正常的调用虚函数

这就说明父类虚函数的函数实现对子类的重写是没有影响的, 子类重写父类的虚函数也只是继承了父类虚函数的接口

关于接口继承有一题, 可以验证对接口继承的理解:

这段代码的输出结果是什么？

答案是: B->1

如果没有对类的继承、多态、接口继承没有一个明确清晰的了解, 这一题是不容易分析出来的

分析:

首先, B类 new了一个对象, 并将其指针给了 p(B类指针), 即 p 为指向B类对象的B类指针

所以, p->test(); 调用的是 B类对象的A类部分的成员函数, 且A类中的虚函数已被重写

进入 test() 函数时, this指针是A*类型 的, 指向的是B类中A类的部分:

所以 p->test()内部调用 func(); 其实是 this->func();

而此时 this是A*类型的, 在 B类对象中使用 A* 调用构成重写的函数是什么？多态调用

所以应该执行的语句是: cout << "B->" << val << endl;

那么问题又来了, 为什么调用B类重写的的func, val 为 1

这就是 接口继承 的体现了

多态调用构成重写的函数, 编译器将其认定为 接口继承 即编译器认定 virtual void func(int val = 1) 被继承到了B类中, 所以此函数构成重写的前提下, 修改此函数的部分内容是无效的, 因为编译器已经认定了接口的组成

所以, 在多态调用此函数时, 其实是:

而不是:

C++ 这样设计真的离谱！！！

而如果是正常的调用 B类的func() 而不通过多态调用, 又会正常调用函数:

是因为正常调用, 编译器会只考虑B类本身的内容, 即使A类虚函数被重写了, 但是没有多态调用编译器不会将其认定为 接口继承, 而是认定为 实现继承。

所以就以

调用