【C++】多态(上) 多态 | 虚函数 | 重写 | final、override | 接口继承与实现继承

一、多态

概念

多态，就是多种状态，即不同的对象去完成同一个行为时会产生出不同的状态。比如：买票时，成人要原价买，学生和老人就可以享受优惠价便宜一点儿。同样是买票这个行为，不同的对象来做就有不同的状态，这就是多态的一种体现。

从代码实现上来说，多态指的是通过一个父类指针 or引用调用一个虚函数时，会根据具体对象的类型来调用该虚函数的不同实现。在多态中，相同的操作可以作用于不同的对象，而具体执行的操作则取决于对不同对象的类型判断。（“看人下菜碟🤪”）

那怎么构成多态呢？有两个条件：

1.子类重写父类的虚函数

2.通过父类的指针或引用去调用虚函数

估计你现在是一头雾水：啥是虚函数？啥是重写？多态到底是怎么用的？

不急，你现在对多态的概念一定还是一片混沌。下面我先讲解“虚函数”、“重写”的概念，然后举出多态的代码实例，你才能体会什么是多态。看到后面，再回过头来看多态的概念，会有更透彻的理解。

虚函数

先来学习一个知识点“虚函数”，注意，和菱形继承那里的虚继承是两个完全不同的概念！它俩的关系就是金鱼和自行车之间的关系。

🎈虚函数：被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

虚函数必须是非静态的成员函数，非成员函数和静态函数是无法成为虚函数的。

class Person {
public:
    virtual void BuyTicket() { …… }
};

虚函数的作用是：实现多态机制。

重写（覆盖）

若子类定义了一个和父类的虚函数一模一样的虚函数，那么称子类中的虚函数重写 / 覆盖了父类的虚函数。（拥有相同的名字、返回值、形参列表）

重写是针对虚函数的概念。普通函数是没有重写的说法的。

例：

class Person 
{
public:
    virtual void BuyTicket() {
        cout << "成人票10r" << endl;
    }
};
class Student:public Person
{
public:
    virtual void BuyTicket() {    //子类中的虚函数重写了父类的虚函数
        cout << "学生票5r" << endl;
    }
};

其实，在重写基类虚函数时，派生类的虚函数即使不加virtual关键字，也是可以构成重写的。

这是因为，继承后基类的虚函数被继承下来了，在派生类依旧保持虚函数属性。

但是该种写法不规范，不建议这样使用。我们还是老老实实加上virtual吧。

如何构成多态

构成多态的两个条件：1.子类重写父类的虚函数 2.通过父类的指针或引用去调用虚函数

我们已经有了“虚函数”和“重写”的知识储备，现在我来写一个多态的例子：

#include<iostream>
using namespace std;
class Person 
{
public:
    virtual void BuyTicket() {
        cout << "成人票10r" << endl;
    }
};
class Student:public Person
{
public:
    virtual void BuyTicket() {    //条件1.子类重写父类的虚函数
        cout << "学生票5r" << endl; 
    }
};
void Pay(Person& p) {   
    p.BuyTicket();    //条件2.通过父类的引用去调用虚函数
}
int main() {
    Person p;
    Student s;
    //用引用调用
    Pay(p);
    Pay(s);
    cout << endl;
    //用指针调用
    Person* p1 = &p, * p2 = &s;   //条件2.通过父类的指针去调用虚函数
    p1->BuyTicket();
    p2->BuyTicket();
    return 0;
}

这，就是多态！

Q：

为什么调虚函数一定得是父类的指针or引用？子类不行吗？

因为父类不仅能接收父类的值，还能接收子类的值；而子类仅能接收子类的值，不能接收父类的值。也就是说，父类更能包罗。

为什么一定得通过指针or引用调用？

这个问题先搁置一下。等讲到多态的底层原理时再说。

重写的例外：协变

（这个知识点实际上不常用，但是笔试题会考）

协变：是函数重写的一种特殊情况，这种情况下，父类和子类的虚函数的返回值是不同的：

父类的虚函数返回父类对象的指针or引用，子类的虚函数返回子类对象的指针or引用。这种情况就称为“协变”。

协变的前提是：协变的两个类型必须是父子关系。

例：

class Person 
{
public:
    virtual Person& BuyTicket() {   //注意返回类型
        Person p;
        cout << "成人票10r" << endl;
        return p;
    }
};
class Student:public Person
{
public:
    virtual Student& BuyTicket() {   //注意返回类型
        Student s;
        cout << "学生票5r" << endl;
        return s;
    }
};
int main() {
    Person p;
    Student s;
    Person* p1 = &p, * p2 = &s;
    p1->BuyTicket();
    p2->BuyTicket();
    return 0;
}

既然存在返回值协变的情况，那说明构成多态的虚函数的返回类型未必相同。这是常见的考点。

析构函数的重写

析构函数是需要重写的。

➡️为什么呢？来看下面这种特殊的情况：

//当析构函数不是虚函数，也未被重写时
class A
{
public:
    ~A() {   
        cout << "~A()" << endl;
    }
};
class B:public A
{
public:
    ~B() {
        cout << "~B()" << endl;
    }
};
int main() {
    A* pa = new B;  
    delete pa;    //我希望调用的是B的析构函数
    return 0;
}

当我用一个父类的指针去指向子类的对象时，我希望程序能根据对象的类型去调用对应的析构函数，也就是~B()。

但实际上，这里并没有实现多态，程序会老老实实根据pa的类型去调用~A()。而这样，由于B中部分成员未被释放，如果这部分成员涉及资源管理的话，就会导致内存泄露。

所以，析构函数得实现多态。

（这种特定情况需要记住，面试时经常会问到这个问题）

➡️但问题又来了：实现多态的前提是子类重写父类的虚函数，而这俩的析构函数名字都不一样，怎么能重写呢？

这就不用我们担心了，编译器会出手。可以理解为，编译器对析构函数的名称做了特殊处理，编译后析构函数的名称统一处理成destructor，我们只要加上virtual就可以。

正确的写法：

class A
{
public:
    virtual ~A() {
        cout << "~A()" << endl;
    }
};
class B:public A
{
public:
    virtual ~B() {
        cout << "~B()" << endl;
    }
};
int main() {
    A* pa = new B;
    delete pa;
    return 0;
}

关键字final(C++11)

final，“最终的”，表示这个就是最终版，后继无人了。

final的两个功能：1. 修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写 2. 修饰类，让此类不能被继承

//修饰虚函数
class A
{
public:
    virtual void print() final {   
        ……
    }
};
class B:public A
{
public:
    ……  //不能继承print函数
};

之前我们说过，要想一个类不能被继承，那就把它的构造函数私有化。实际上，这种方式并不好。因为从继承关系来说，它并没有直接阻止继承这种行为，子类依旧是继承了父类。只是创建创建不了子类对象。这是一种间接的阻止。

C++11引入的final，就可以直接阻止，只要父类加了final，那就是不可被继承的：

class A final   
{
public:
    ……
};

class B:public A   //会报错"不能将final类类型作为基类"
{
public:
    ……
};

关键字override(C++11)

override: 检查子类虚函数是否正确地完成重写，如果没有则编译报错。

有时候我们会不小心把函数名写错，或者父子的参数列表顺序不一致，导致无法构成重写。这种错误编译器往往检查不出来，当运行出错误的结果时，我们去Debug半天，才无语地发现原来bug在这。

而override的出现，就是帮助我们去检查错误，确保重写的正确，免得我们调试找BUG。

class A 
{
public:
    virtual void print() {
        ……
    }
};
class B:public A
{
public:
    void pint() {   //这里把函数名写错了，但编译器没检查出来
        ……
    }
};

当加了override以后：

class B:public A
{
public:
    void pint() override {  
        ……
    }
};

接口继承和实现继承

普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，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，派生类继承的是基类虚函数的接口。因为目的是重写，达成多态，所以只需要继承接口，函数体就用不着了。

所以说，如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

重载、重写、重定义的对比

二、抽象类

概念

在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数，纯虚函数是不需要实现的。

包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫接口类），抽象类不能实例化出对象，只能被继承。

派生类继承后也不能实例化出对象，只有重写纯虚函数，派生类才能实例化出对象。

class Course    //课程是抽象类
{
public:
    virtual void TeachingMethod() = 0;  //纯虚函数
};
class Math:public Course
{
public:
    virtual void TeachingMethod() {
        cout << "Math" << endl;
    }
};
int main() {
    //Course c;   //报错，抽象类无法实例化出对象
    Math m;      //派生类进行了重写，可以实例化出对象
    return 0;
}

纯虚函数的作用是：强制子类去完成重写。

抽象类用于表示抽象的类型。实际中，许多概念是抽象的，没有对应的实体。比如“植物” “形状”，这是笼统的概念，只有把“植物”具体到“含羞草”，把“形状”具体到“三角形”，才能定义出一个具体的类型。