如何理解C++多態性與虛函數

這篇文章給大家介紹如何理解C++多態性與虛函數，內容非常詳細，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對大家能有所幫助。

派生一個類的原因并非總是為了繼承或是添加新的成員，有時是為了重新定義基類的成員，使得基類成員“獲得新生”。面向對象的程序設計真正的力量不僅僅是繼承，而且還在于允許派生類對象像基類對象一樣處理，其核心機制就是多態和動態聯編。

（一）多態性

　　多態是指同樣的消息被不同的對象接收時導致不同的行為。所謂消息是指對類成員函數的調用，不同的行為是指的不同的實現，也就是調用了不同的函數。

1）多態的分類

　　廣義上說，多態性是指一段程序能夠處理多種類型對象的能力。在C++中，這種多態性可以通過重載多態（函數和運算符重載），強制重載（類型強制轉換），類型參數化多態（模板）

，包含多態（繼承與虛函數）四種方式來實現。類型參數化多態和包含多態稱為一般多態性，是用來系統地刻畫語義上相關的一組類型;重載多態和強制多態性稱為特殊多態性，用來刻畫語義上無關連的類型間關系。

　　C++中采用虛函數實現包含多態。虛函數為C++提供了更為靈活的多態機制，這種多態性在程序運行時才能夠確定，因此虛函數是多態性的精華，至少含有一個虛函數的類稱為多態類。包含多態在面向對象的程序設計中使用很頻繁。

2）靜態聯編

　　聯編又稱為綁定，就是將模塊或函數合并在一起生成可執行代碼的處理過程，同時對每個模塊或函數分配內存地址，對外部訪問也提供正確的內存地址。

　　在編譯階段就將函數實現與函數調用綁定起來稱為靜態聯編。靜態聯編在編譯階段就必須了解所有函數與模塊執行所需要的信息，它對函數的選擇是基于指向對象的指針（或引用）的類型。在C語言中所有的聯編都是靜態聯編;C++中一般情況也是靜態聯編。

class Point{　　public:　　　　void area(){cout<<"point";}　　};　　class Circle:public Point{　　public:　　　　void area(){cout<<"circle";}　　};　　Point a; Circle c;　　a.area();   //調用a.Point::area() 　　c.area();   //調用c.Circle::area()，名字支配規則　　Point * pc=&c,&rc=c;  //上篇所講的賦值兼容性規則　　pc->area();  //調用pc->Point::area()　　rc.area();   //調用rc.Point::area()

3）動態聯編

　　如果程序在運行時候才進行函數實現和函數調用的綁定稱為動態聯編。以上面的例子為例，在編譯時如果只根據兼容性規則檢查它的合理性，即檢查它是否符合派生類對象地址可以賦值給基類指針變量的條件。至于pc->area()調用哪個函數等到程序運行到這里才做決定。如果希望其調用Circle::area()，那么需要將Point類的area()函數指定為虛函數。定義形式為：

　　virtual void area(){cout<<"point";}

　　當編譯器編譯含有虛函數的類時候，將為他建立一個虛函數表VTABLE，它相當于一個指針數組，存放每一個虛函數的入口地址。編譯器為該類增減一個額外的數據成員，這個數據成員是一個指向虛函數表的指針，稱為vptr。

　　如果派生類沒有重寫這個虛函數，則派生類的虛函數列表里元素指向的地址就是基函數area()的地址，即派生類僅僅繼承基類的虛函數

　　如果派生類重新寫這個虛函數如下：

　　virtual void area() {cout<<"circle";}

　　那么這時編譯器將派生類虛函數表里的元素指向Circle::area()

　　 編譯器為含有虛函數的對象先建立一個函數入口地址，這個地址用來存放指向虛函數表的指針vptr，然后按照類中虛函數的聲明次序一一填入函數指針。當調用虛函數時候，先通過vptr找到虛函數表，然后找出虛函數真正的地址。

　　派生類能夠繼承基類的虛函數表，而且只要是和基類同名（參數也相同）的成員函數，無論是否使用virtual聲明，它們都自動生成虛函數。如果派生類沒有改寫繼承基類的虛函數，則函數指針將調用基類的虛函數。　

（二）虛函數

1）虛函數定義

　　虛函數只是類中的一個成員函數，且不能是靜態的。在成員函數定義或聲明之前加上關鍵字virtual，即定義了虛函數：

class類名{　　　　...　　　　virtual 返回類型 函數名 （形式參數列表）//虛函數　　　　...　　};　　class Point　　{　　　　virtual void area　();    //虛函數聲明　　　　virtual double volumn(){}  //虛函數定義　　　};

　　需要注意virtual關鍵字只在類體中使用。

　　利用虛函數可以在基類和派生類中使用相同的函數名定義函數不同的實現，從而實現“一個接口，多種方式”。當基類指針或引用對虛函數進行訪問時，系統將根據運行時指針或引用所指向或引用的實際對象來自動確定調用對象所在類的虛函數版本。

2）虛函數實現多態的條件

　　關鍵字virtual指示C++編譯器對調用虛函數進行動態聯編。這種多態性是程序運行到相應語句才動態確定的，稱為運行時的多態。不過，使用虛函數不一定產生多態性，也不一定使用動態聯編。例如，在調用中對虛函數使用成員名限定，可以強制C++對該函數的調用使用靜態聯編。

　　虛函數產生運行時的多態性必須有2個條件。

　　a）派生類改寫了同名的虛函數

　　b）根據賦值兼容性規則使用指針或引用

Point *p=new Circle;  //基類指針指向派生類　　cout<<p->area();   //動態聯編　　void fun(Point *p)　　{cout<<p->area();}   //動態聯編

3）在一個派生類中，當一個指向基類成員函數的指針指向一個虛函數，并且通過指向對象的指針或引用訪問這個虛函數時候將發生多態性。

#include<iostream>using namespace std;class Base{public: virtual void print(){cout<<"base"<<endl;}};class Derived :public Base{public: void print(){cout<<"derive"<<endl;}};//void(Base::*pf)();void display(Base *p,void(Base::*pf)()){(p->*pf)();}int main(){ Derived d; Base b; display(&d,&Base::print); display(&b,&Base::print); return 0;}lzb@lzb:~/classic_lib/C++_learning$ g++ 427.cpplzb@lzb:~/classic_lib/C++_learning$ ./a.out derivebase

　　display有兩個函數，第一個參數是基類指針，第二個參數是指向類成員函數的指針。display使用基類指針調用指向成員函數的指針所指向的成員函數。是調用基類的虛函數還是派生類的虛函數，取決于基類指針指向的對象。　

補充：

面向對象的三個特征：封裝、繼承和多態。

什么是多態

多態的意思是一個事物有多種形態，英文單詞為polymorphism，向不同的對象發送同一個消息，不同的對象在接收時會產生不同的行為（方法）。也就是說，每個對象可以用自己的方式去相應共同的消息。

例如函數的重載、運算符的重載都是多態現象。

一個生活中的例子，比如學生開學，校長發布一條哪一天開學的信息，不同的對象會產生不同的反應，學生就要準備上學，家長要準備學費，老師也要開始備課，學校食堂開始采購食材，這就是多態性，如果沒有多態性的話，校長就需要分別對學生、教師和家長等不同的對象單獨發通知。

在C++中，多態性表現形式之一是：具有不同功能的函數可以用同一個函數名，這樣就可以實現用一個函數名調用不同內容的函數。

從系統實現的角度來看，多態性分為兩類：靜多態性和動多態性靜多態性是通過函數重載實現的，動多態性是通過虛函數實現的。

什么是虛函數

C++中的虛函數就是用來解決動態多態問題的，所謂虛函數，就是在基類聲明函數是虛擬的，并不是實際存在的，然后在派生類中才正式定義此函數，在程序運行期間，用指針指向某一派生類對象，這樣就能調用指針指向的派生類對象中的函數，而不對調用其他派生類中的函數。

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