C++的继承与多态

◆ 概念介绍

继承：为了代码的重用，保留基类的原本结构，并新增派生类的部分，同时可能覆盖（overide）基类的某些成员。

多态：一种将不同的特殊行为和单个泛化记号相关联的能力，分为静态多态和动态多态。

◆ 继承：

一个派生类可以通过继承获得基类的所有成员，而无需再次定义它们。分为public、protected和private三种继承方式，前两种方式保持基类的所有成员的属性不变，且派生类可以访问基类的public和protected成员，但仍然不能访问基类的private成员；private继承将使得基类的所有成员在派生类中表现为private属性。

声明一个派生类对象，即在构造派生类对象时，遵循基类的接口，先构造基类子对象，再构造派生类增加的部分。其中的组成由下图所示：

当出现菱形继承时，例如下图所示：

要构造一个SleepSofa对象，就要构造一个Sofa和一个Bed子对象，这其中又同时构造了两次Furniture对象，这是不合理的。因此Bed和Sofa类要对Furniture类进行虚继承（virtual public Furniture）来避免这种状况。

 

◆ 多态：

静态多态：在编译时期就已经确定了的行为，例如带变量的宏，模板，函数重载，运算符重载，拷贝构造等。

动态多态：在运行时期才能确定调用的行为。例如虚函数调用机制。本部分主要讨论的是动态多态。虚函数是实现动态多态的机制，其核心理念就是通过基类指针来访问派生类定义的成员。成员函数在基类为虚函数时，在派生类同样也是虚函数。纯虚函数是指不希望基类对象调用的成员函数，需要派生类覆盖实现这样的纯虚函数。（注：如果某个成员函数在基类中没有用virtual关键字修饰，即普通函数，而在派生类中却又有完全相同的成员函数声明，两个函数即使有相同的名字和相同的参数类型与数量，这两个函数也是完全不同的函数，因为类的作用域不同）

虚函数表（vtable）：每个类都拥有一个虚函数表，虚函数表中罗列了该类中所有虚函数的地址，排列顺序按声明顺序排列，例如这样两个类

class Base
{
    virtual void f() {}
    virtual void g() {}
    //其他成员
};
Base b;

class Derive : public Base
{
    void f() {}
    virtual void d() {}
    //其他成员
};
Derive d;

 

虚表指针（vptr）：每个类有一个虚表指针，当利用一个基类的指针绑定基类或者派生类对象时，程序运行时调用某个虚函数成员，会根据对象的类型去初始化虚指针，从而虚表指针会从正确的虚函数表中寻找对应的函数进行动态绑定，因此可以达到从基类指针调用派生类成员的效果。

那么为什么需要虚指针和虚函数表来实现动态多态呢？因为无论是什么函数，包括类内的虚函数和非虚函数，都会储存在内存中的代码段。但是当编译器在编译时，就可以确定普通函数和非虚函数的入口地址，以及其调用的信息，所以这指的是常量指针。当遇到动态多态时，虚函数真正的入口地址的指针要在运行时根据对象的类型才能确定，所以要通过虚指针从虚函数表中找虚函数对应的入口地址。

当然，用基类指针绑定的子类对象，只能通过这个基类指针调用基类中的成员，因为作用域仅限于基类的子对象，子类新增的部分是看不见的。

总结为下面这个例程：

#include <iostream>

using std::cout;
using std::endl;

class Base
{
    public:
        void fun() { cout << "Base::fun()" << endl; }
        virtual void vfun() { cout << "Base::virtual fun()" << endl; }
};

class Derive : public Base
{
    public:
        void fun() { cout << "Derive::fun()" << endl; }
        virtual void vfun() { cout << "Derive::virtual fun()" << endl; }
        void dfun() { cout << "Derive::dfun()" << endl; }
};


int main()
{
    Base* bp = new Base();
    Base* dp = new Derive();
    
    bp->fun();
    bp->vfun();
    
    dp->fun();
    dp->vfun();
    //dp->dfun(); //编译错误：基类指针指向子类中基类的子对象
                  //不能看到子类的成员 
    
    delete bp;
    delete dp;
    
    
    return 0;
}

输出为：

可以看出，bp绑定一个基类对象，调用自己的成员无异议；dp绑定的是一个子类对象，因此调用fun()时，由于dp是一个基类指针，作用域在于基类中，所以调用的是基类的fun()，而调用vfun()是通过动态绑定调用虚函数表中被子类覆盖的Derive::vfun()，而如果要调用dfun()时则会出现编译错误，因为子类独有成员基类指针不可见。

注：在解有关动态多态的题时，只要把握住一点：这个指针指向的到底是基类对象还是子类对象，如果是基类对象，则调用基类的成员函数，如果是子类对象，则要考虑到这个虚成员函数是否被子类中的成员覆盖掉，即是否产生了动态绑定。另外还有一点，从子类对象强制类型转换为基类对象是允许的，而相反地要从基类对象强制转换成子类对象是错误的（编译不通过）。

Base* dp1 = new Derive(); 
Derive* dp2 = (Derive*) dp1; //基类指针指向的是子类对象，可以强制转化为子类指针

Base* bp1 = new Base();
Derive* bp2 = (Base*) bp1; //错误，[Error] invalid conversion from 'Base*' to 'Derive*' [-fpermissive]
                           //基类指针指向的是基类对象，不能强制转化为子类指针