一 多态概述

C++中的多态分为静态多态和动态多态。静态多态是函数重载，在编译阶段就能确定调用哪个函数。动态多态是由继承产生的，指同一个属性或行为在基类及其各派生类中具有不同的语义，不同的对象根据所接收的消息做出不同的响应，这种现象称为动态多态。例如，动物都能发出叫声，但不同的动物叫声不同，猫会“喵喵”、狗会“汪汪”，这就是多态的体现。面向对象程序设计中所说的多态通常指的是动态多态。

在C++中，“消息”就是对类的成员函数的调用，不同的行为代表函数的不同实现方式，因此，多态的本质是函数的多种实现形态。

多态的实现需要满足3个条件。

（1）基类声明虚函数。

（2）派生类重写基类的虚函数。

（3）将基类指针指向派生类对象，通过基类指针访问虚函数。

二 虚函数实现多态

如果基类与派生类中有同名成员函数，根据类型兼容规则，当使用基类指针或基类引用操作派生类对象时，只能调用基类的同名函数。如果想要使用基类指针或基类引用调用派生类中的成员函数，就需要虚函数解决，虚函数是实现多态的基础。本节将针对虚函数实现多态进行详细讲解。

虚函数

虚函数的声明方式是在成员函数的返回值类型前添加virtual关键字，格式如下所示：

class 类名
{
权限控制符： virtual 函数返回值类型 函数名（参数列表）; … //其他成员
};

声明虚函数时，有以下3点需要注意。

（1）构造函数不能声明为虚函数，但析构函数可以声明为虚函数。

（2）虚函数不能是静态成员函数。

（3）友元函数不能声明为虚函数，但虚函数可以作为另一个类的友元函数。

虚函数只能是类的成员函数，不能将类外的普通函数声明为虚函数，即virtual关键字只能修饰类中的成员函数，不能修饰类外的普通函数。因为虚函数的作用是让派生类对虚函数重新定义，它只能存在于类的继承层次结构中。

若类中声明了虚函数，并且派生类重新定义了虚函数，当使用基类指针或基类引用操作派生类对象调用函数时，系统会自动调用派生类中的虚函数代替基类虚函数。 下面通过案例演示虚函数实现多态的机制：

类的关系图：

实例代码：

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <string.h>
#include <stdio.h>using namespace std;class Animal
{
public:virtual void speak(){cout << "animal speak ..." << endl;}
};
class Cat:public Animal
{
public:void speak(){cout << "Cat speak miaomiao" << endl;}
};
class Dog:public Animal
{
public:void speak(){cout << "Dog speak wangwang" << endl;}
};int main()
{Animal *pc = new Cat();pc->speak();Animal *pd = new Dog();pd->speak();return 0;
}

执行结果：

Cat speak miaomiao
Dog speak wangwang

pc指针调用的是Cat类的speak()函数，输出了miaomiao的叫声；pd调用的是Dog类的speak()函数，输出了wanwang的叫声。基类指针调用的永远都是派生类重写的虚函数，不同的派生类对象都有自己的表现形态。

这样效果不是很明显，我们将Animal类的定义修改为下面这样：就是去掉speak函数前面的virtual

class Animal
{
public:void speak(){cout << "animal speak ..." << endl;}
};

重新编译执行：发现，此时的pc指针和pd指针调用的都是Animal的speak函数。通过对比，才能体现出virtual动态多态的好处。

animal speak ...
animal speak ...

需要注意的是，派生类对基类虚函数重写时，必须与基类中虚函数的原型完全一致，派生类中重写的虚函数前是否添加virtual，均被视为虚函数。 也就是说Cat的speak函数前面加不加virtual。它都是virtual函数。

三 override和final（C++11新标准）

override和final关键字是C++11新标准提供的两个关键字，在类的继承中有着广泛应用，下面对这两个关键字进行简单介绍。

1.override

override关键字的作用是检查派生类中函数是否在重写基类虚函数，如果不是重写基类虚函数，编译器就会报错。示例代码如下：

class Base     //基类Base
{
public: virtual void func(); void show();
};
class Derive:public Base  //派生类Derive，公有继承Base类
{
public: void func() override;   //可通过编译 void show() override;   //不能通过编译
}; 

在上述代码中，派生类Derive中func()函数后面添加override关键字可以通过编译，而show()函数后面添加override关键字，编译器会报错，这是因为show()函数并不是重写基类虚函数。利用override关键字可以判断派生类是否准确地对基类虚函数进行重写，防止出现因书写错误而导致的基类虚函数重写失败。另外，在实际开发中，C++中的虚函数大多跨层继承，直接基类没有声明虚函数，但很可能会从“祖先”基类间接继承。如果类的继承层次较多或者类的定义比较复杂，那么在定义派生类时就会出现信息分散、难以阅读的问题，重写基类虚函数时，往往难以确定重写是否正确。此时，可以通过override关键字进行检查。

2.final

final关键字有两种用法：修饰类、修饰虚函数。当使用final关键字修饰类时，表示该类不可以被继承。示例代码如下：

class Base final    //final修饰类，Base类不能被继承
{
public: //...
};
class Derive :public Base     //编译错误
{
public: //...
}; 

在上述代码中，Base类被final关键字修饰，就不能作为基类派生新类，因此当Derive类继承Base类时，编译器会报错。除了修饰类，final关键字还可以修饰虚函数，当使用final关键字修饰虚函数时，虚函数不能在派生类中重写。示例代码如下：

class Base
{
public: virtual void func() final;
};
class Derive:public Base
{
public: void func();      //不能通过编译
}; 

在上述代码中，Derive类公有继承Base类，在Derive类中重写基类被final修饰的虚函数func()时，编译器会报“无法重写‘final’函数Base::func()”的错误。

四 虚函数实现多态的机制

在编写程序时，我们需要根据函数名、函数返回值类型、函数参数等信息正确调用函数，这个匹配过程通常称为绑定。C++提供了两种函数绑定机制：静态绑定和动态绑定。静态绑定也称为静态联编、早绑定，它是指编译器在编译时期就能确定要调用的函数。动态绑定也称为动态联编、迟绑定，它是指编译器在运行时期才能确定要调用的函数。

虚函数就是通过动态绑定实现多态的，当编译器在编译过程中遇到virtual关键字时，它不会对函数调用进行绑定，而是为包含虚函数的类建立一张虚函数表Vtable。在虚函数表中，编译器按照虚函数的声明顺序依次保存虚函数地址。同时，编译器会在类中添加一个隐藏的虚函数指针VPTR，指向虚函数表。在创建对象时，将虚函数指针VPTR放置在对象的起始位置，为其分配空间，并调用构造函数将其初始化为虚函数表地址。需要注意的是，虚函数表不占用对象空间。

派生类继承基类时，也继承了基类的虚函数指针。当创建派生类对象时，派生类对象中的虚函数指针指向自己的虚函数表。在派生类的虚函数表中，派生类虚函数会覆盖基类的同名虚函数。当通过基类指针或基类引用操作派生类对象时，以操作的对象内存为准，从对象中获取虚函数指针，通过虚函数指针找到虚函数表，调用对应的虚函数。

下面结合代码分析虚函数实现多态的机制，示例代码如下：

class Base1       //定义基类Base1
{
public: virtual void func();    //声明虚函数func() virtual void base1();    //声明虚函数base1()virtual void show1();    //声明虚函数show1()
};
class Base2       //定义基类Base2
{
public: virtual void func();    //声明虚函数func() virtual void base2();    //声明虚函数base2()virtual void show2();    //声明虚函数show2()
};
//定义Derive类，公有继承Base1和Base2
class Derive :public Base1, public Base2
{
public: virtual void func();    //声明虚函数func() virtual void base1();    //声明虚函数base1() virtual void show2();    //声明虚函数show2()
}; 

在上述代码中，基类Base1有func()、base1()和show1()三个虚函数；基类Base2有func()、base2()和show2()三个虚函数；派生类Derive公有继承Base1和Base2，Derive类声明了func()、base1()和show2()三个虚函数。Derive类与Base1类和Base2类的继承关系如图5-2所示。

图5-2 Derive类与Base1类和Base2类的继承关系

在编译时，编译器发现Base1类与Base2类有虚函数，就为两个类创建各自的虚函数表，并在两个类中添加虚函数指针。如果创建Base1类对象（如base1）和Base2类对象（如base2），则对象中的虚函数指针会被初始化为虚函数表的地址，即虚函数指针指向虚函数表。对象base1与对象base2的内存逻辑示意图如图5-3所示。

图5-3 对象base1与对象base2的内存逻辑示意图

Derive类继承自Base1类与Base2类，也会继承两个基类的虚函数指针。Derive类的虚函数func()、base1()和show2()会覆盖基类的同名虚函数。如果创建Derive类对象（如derive），则对象derive的内存逻辑示意图如图5-4所示。

图5-4对象derive的内存逻辑示意图

通过基类Base1、基类Base2的指针或引用操作Derive类对象，在程序运行时，编译器从Derive类对象内存中获取虚函数指针，通过指针找到虚函数表，调用相应的虚函数。不同的类，其函数实现都不一样，在调用时就实现了多态。

五 虚析构函数

在C++中不能声明虚构造函数，因为构造函数执行时，对象还没有创建，不能按照虚函数方式调用。但是，在C++中可以声明虚析构函数，虚析构函数的声明是在“～”符号前添加virtual关键字，格式如下所示：

virtual ~析构函数(); 

在基类中声明虚析构函数之后，基类的所有派生类的析构函数都自动成为虚析构函数。

在基类声明虚析构函数之后，使用基类指针或引用操作派生类对象，在析构派生类对象时，编译器会先调用派生类的析构函数释放派生类对象资源，然后再调用基类析构函数。如果基类没有声明虚析构函数，在析构派生类对象时，编译器只会调用基类析构函数，不会调用派生类析构函数，导致派生类对象申请的资源不能正确释放。下面通过案例演示虚析构函数的定义与调用

1 首先看看没有声明虚析构函数的情况：

实例代码：

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <string.h>
#include <stdio.h>using namespace std;class Animal
{
public:~Animal(){cout << "Animal delete" << endl;}
};
class Cat:public Animal
{
public:char *str;Cat(){str = new char[10];memcpy(str,"hello",sizeof("hello"));cout << "str = " << str << endl;}~Cat(){delete str;cout << "Cat delete" << endl;}
};int main()
{Animal *p = new Cat;delete p;return 0;
}

执行结果：如下所示，只调用了父类中的析构函数，由于没有调用子类Cat中的析构函数，导致子类Cat的成员str占用的堆内存得不到释放，导致内存泄漏发生。

str = hello
Animal delete

2 声明虚析构函数的情况：

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <string.h>
#include <stdio.h>using namespace std;class Animal
{
public:virtual ~Animal(){cout << "Animal delete" << endl;}
};
class Cat:public Animal
{
public:char *str;Cat(){str = new char[10];memcpy(str,"hello",sizeof("hello"));cout << "str = " << str << endl;}~Cat(){delete str;cout << "Cat delete" << endl;}
};int main()
{Animal *p = new Cat;delete p;return 0;
}

执行结果：此时，子类Cat的析构函数得到调用执行，str成员占用的堆内存被释放了，避免了内存泄漏。

str = hello
Cat delete
Animal delete

虚析构函数的定义与用法很简单，但在C++程序中却是非常重要的一个编程技巧。在编写C++程序时，最好把基类的析构函数声明为虚析构函数，即使基类不需要析构函数，也要显式定义一个函数体为空的虚析构函数，这样所有派生类的析构函数都会自动成为虚析构函数。如果程序中通过基类指针释放派生类对象，编译器能够调用派生类的析构函数完成派生类对象的释放。

六 纯虚函数和抽象类

有时候在基类中声明函数并不是基类本身的需要，而是考虑到派生类的需求，在基类中声明一个函数，函数的具体实现由派生类根据本类的需求定义。例如，动物都有叫声，但不同的动物叫声不同，因此基类（动物类）并不需要实现描述动物叫声的函数，只需要声明即可，函数的具体实现在各派生类中完成。在基类中，这样的函数可以声明为纯虚函数。

纯虚函数也通过virtual关键字声明，但是纯虚函数没有函数体。纯虚函数在声明时，需要在后面加上“=0”，格式如下所示：

virtual 函数返回值类型 函数名（参数列表） =  0;

上述格式中，纯虚函数后面“=0”并不是函数的返回值为0，它只是告诉编译器这是一个纯虚函数，在派生类中会完成具体的实现。

纯虚函数的作用是在基类中为派生类保留一个接口，方便派生类根据需要完成定义，实现多态。派生类都应该实现基类的纯虚函数，如果派生类没有实现基类的纯虚函数，则该函数在派生类中仍然是纯虚函数。

如果一个类中包含纯虚函数，这样的类称为抽象类。抽象类的作用主要是通过它为一个类群建立一个公共接口（纯虚函数），使它们能够更有效地发挥多态性。抽象类声明了公共接口，而接口的完整实现由派生类定义。

抽象类只能作为基类派生新类，不能创建抽象类的对象，但可以定义抽象类的指针或引用，通过指针或引用操作派生类对象。抽象类可以有多个纯虚函数，如果派生类需要实例化对象，则在派生类中需要全部实现基类的纯虚函数。如果派生类没有全部实现基类的纯虚函数，未实现的纯虚函数在派生类中仍然是纯虚函数，则派生类也是抽象类。 下面通过案例演示纯虚函数和抽象类的应用：

实例代码：

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <string.h>
#include <stdio.h>using namespace std;class Animal
{
public:virtual void speak() = 0;virtual ~Animal(){cout << "Animal delete" << endl;}
};
class Cat:public Animal
{
public:char *str;Cat(){cout << "Cat init" << endl;}void speak() override;~Cat(){delete str;cout << "Cat delete" << endl;}
};
void Cat::speak(){cout << "Cat miaomiao" << endl;
}class Dog:public Animal
{
public:Dog(){cout << "Dog init" << endl;}void speak() override;~Dog(){cout << "Dog delete" << endl;}
};
void Dog::speak(){cout << "Dog wangwang" << endl;
}int main()
{Animal *pc = new Cat;pc->speak();delete pc;Animal *pd = new Dog;pd->speak();delete pd;return 0;
}

执行结果：

Cat init
Cat miaomiao
Cat delete
Animal delete
Dog init
Dog wangwang
Dog delete
Animal delete

在上中，Animal类是抽象类，如果创建Anim al类对象，编译器会报错，例如在main()函数中添加如下代码：

Animal a;

报错：

error: variable type 'Animal' is an abstract class，unimplemented pure virtual method 'speak' in 'Animal'

如果Animal类的某个派生类没有全部实现纯虚函数，则派生类也是抽象类，不能创建该派生类的对象。

小结

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