C++ 之多态总结

前言

最近为了完成数据库系统的实验,又复习起了《C++ Primer》,上一次看这本巨著也是大二下的六月份,那时看面向对象程序编程这一章还云里雾里的,没有领会多态的奥妙,学完 Java 之后回头再看这一章发现对多态有了更好的理解。好记性不如烂笔头,本篇博客将会对 C++ 的多态机制做一个不太详细的总结,希望下一次不需要从头再看一遍《C++ Primer》了 _(:з”∠)_。

多态

多态离不开继承,首先来定义一个基类 Animal,里面有一个虚函数 speak()

class Animal {
public:
    Animal() = default;
    Animal(string name) : m_name(name) {}
    virtual ~Animal() = default;

    virtual void speak() const { cout << "Animal speak" << endl; }
    string name() const { return m_name; }

private:
    string m_name;
};

接着定义子类 Dog,并重写虚函数,由于构造函数无法继承,所以使用 using 来 “继承” 父类的构造函数。和父类相比,Dog 还多了一个 bark() 方法。

class Dog : public Animal {
public:
    using Animal::Animal;

    // 可加上 override 声明要重写虚函数,函数签名必须和基类相同(除非返回类自身的指针或引用)
    void speak() const override { cout << "Dog bark" << endl; }
    void bark() const { cout << "lololo" << endl; }
};

向上转型

我们在堆上创建一个 Dog 对象,并将地址赋给一个 Animal 类型的指针。由于指针指向的是个 Dog 对象,调用 speak() 方法时,实际上调用的是底层狗狗重写之后的 speak() 方法,而不是基类 Animalspeak()。也就是说编译时不会直接确定要调用的是哪个 speak() ,要在运行时绑定。

Animal* pa = new Dog("二哈");
pa->speak(); // 调用的是 Dog::speak
pa->Animal::speak(); // 强制调用基类的 speak

利用运行时绑定这一特点,我们将基类的析构函数定义为虚函数,这样子类对象在析构的时候就能调用自己的虚函数了。

虽然 pa 指向的是一个 Dog 对象,但是不能使用 bark() 方法。因为 pa 是一个 Animal 类型的指针,在编译时编译器会跳过 Dog 而直接在 Animal 的作用域中寻找 bark 成员,结果发现并不存在此成员而报错。

要实现向上转型不止能用指针,引用同样可以实现。但是如果写成以下这种形式,实质上是调用了拷贝构造函数,会用 Dog 的基类部分来初始化 Animal 对象,和向上转型没有任何关系,之后调用的就是底层 Animal 对象的 speak() 方法:

Dog dog("二哈");
Animal animal = dog;
animal.speak(); // 调用的是 Animal::speak

向下转型

要想调用底层 Dog 对象的 bark() 方法,我们需要将 pa 强转为 Dog 类型的指针。一种方法是使用 static_cast 进行静态转换,另一种这是使用 dynamic_cast 进行运行时转换。相比于前者,dynamic_cast<type *> 转换失败的时候会返回空指针,而 dynamic_cast<type &> 则会报 bad_cast 错误,因此更加安全。

Dog* pd_ = static_cast<Dog *>(pa);
pd_->bark();

if (Dog* pd = dynamic_cast<Dog*>(pa)) {
    pd->bark();
} else {
    cout << "转换失败" << endl;
}

作用域

子类的作用域是嵌套在父类里面的,在子类的对象上查找一个成员时,会现在子类中查找,如果没找到才回去父类中寻找。由于作用域的嵌套,会导致子类隐藏掉父类中的同名成员。比如下述代码:

class Animal {
public:
    virtual void speak() const
    {
        cout << "Animal speak" << endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    // void speak() const override { cout << "Dog speak" << endl; }
    void speak(string word) const
    {
        cout << "Dog bark: " + word << endl;
    }
};

int main(int argc, char const* argv[])
{
    Animal* pa = new Dog();
    Dog* pd = new Dog();
    // pd->speak(); 报错
    pd->speak("666"); // Dog::speak 隐藏了 Animal::speak
    return 0;
}

我们在父类中定义了一个虚函数 void speak(),子类中没有重写它,而是定义了另一个同名但是参数不同的函数 void speak(string word)。这时候子类中的同名函数会隐藏掉父类的虚函数,如果写成 pd->speak(),编译器会先在子类作用域中寻找名字为 speak 的成员,由于存在 speak(string word),它就不会接着去父类中寻找了,接着进行类型检查,发现参数列表对不上,会直接报错。如果用了 VSCode 的 C/C++ 插件,可以看到参数列表确实只有一个,没有提示有重载的同名函数。

隐藏父类虚函数

要想通过调用基类的 speak() 方法,有两种方法:

  • 向上转型,使用基类的指针 pa 来调用 pa->speak(),由于子类没有重写虚函数,所以在动态绑定时会调用父类的虚函数;
  • 使用作用域符强制调用父类的虚函数:pd->Animal::speak()

《C++ Primer》对名字查找做了一个非常好的总结:

名字查找

总结

在 《C++ Primer》中对于上述内容有更加详细的讲解,这里不过是拾其牙慧罢了。看了这一章之后最大的感受就是:

你看 100 遍她的视频,她不是你的,你看 100 遍 《C++ Primer》,知识就是你的

以上~~

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