C++的繼承與多態

◆ 概念介紹

繼承：爲了代碼的重用，保留基類的本來結構，並新增派生類的部分，同時可能覆蓋（overide）基類的某些成員。

多態：一種將不一樣的特殊行爲和單個泛化記號相關聯的能力，分爲靜態多態和動態多態。

◆ 繼承：

一個派生類能夠經過繼承得到基類的全部成員，而無需再次定義它們。分爲public、protected和private三種繼承方式，前兩種方式保持基類的全部成員的屬性不變，且派生類能夠訪問基類的public和protected成員，但仍然不能訪問基類的private成員；private繼承將使得基類的全部成員在派生類中表現爲private屬性。

聲明一個派生類對象，即在構造派生類對象時，遵循基類的接口，先構造基類子對象，再構造派生類增長的部分。其中的組成由下圖所示：

當出現菱形繼承時，例以下圖所示：

要構造一個SleepSofa對象，就要構造一個Sofa和一個Bed子對象，這其中又同時構造了兩次Furniture對象，這是不合理的。所以Bed和Sofa類要對Furniture類進行虛繼承（virtual public Furniture）來避免這種情況。

 

◆ 多態：

靜態多態：在編譯時期就已經肯定了的行爲，例如帶變量的宏，模板，函數重載，運算符重載，拷貝構造等。

動態多態：在運行時期才能肯定調用的行爲。例如虛函數調用機制。本部分主要討論的是動態多態。虛函數是實現動態多態的機制，其核心理念就是經過基類指針來訪問派生類定義的成員。成員函數在基類爲虛函數時，在派生類一樣也是虛函數。純虛函數是指不但願基類對象調用的成員函數，須要派生類覆蓋實現這樣的純虛函數。（注：若是某個成員函數在基類中沒有用virtual關鍵字修飾，即普通函數，而在派生類中卻又有徹底相同的成員函數聲明，兩個函數即便有相同的名字和相同的參數類型與數量，這兩個函數也是徹底不一樣的函數，由於類的做用域不一樣）

虛函數表（vtable）：每一個類都擁有一個虛函數表，虛函數表中羅列了該類中全部虛函數的地址，排列順序按聲明順序排列，例如這樣兩個類

class Base
{
    virtual void f() {}
    virtual void g() {}
    //其餘成員
};
Base b;

class Derive : public Base
{
    void f() {}
    virtual void d() {}
    //其餘成員
};
Derive d;

 

虛表指針（vptr）：每一個類有一個虛表指針，當利用一個基類的指針綁定基類或者派生類對象時，程序運行時調用某個虛函數成員，會根據對象的類型去初始化虛指針，從而虛表指針會從正確的虛函數表中尋找對應的函數進行動態綁定，所以能夠達到從基類指針調用派生類成員的效果。

那麼爲何須要虛指針和虛函數表來實現動態多態呢？由於不管是什麼函數，包括類內的虛函數和非虛函數，都會儲存在內存中的代碼段。可是當編譯器在編譯時，就能夠肯定普通函數和非虛函數的入口地址，以及其調用的信息，因此這指的是常量指針。當遇到動態多態時，虛函數真正的入口地址的指針要在運行時根據對象的類型才能肯定，因此要經過虛指針從虛函數表中找虛函數對應的入口地址。

固然，用基類指針綁定的子類對象，只能經過這個基類指針調用基類中的成員，由於做用域僅限於基類的子對象，子類新增的部分是看不見的。

總結爲下面這個例程：

#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(); //編譯錯誤：基類指針指向子類中基類的子對象
                  //不能看到子類的成員 
    
    delete bp;
    delete dp;
    
    
    return 0;
}

輸出爲：

能夠看出，bp綁定一個基類對象，調用本身的成員無異議；dp綁定的是一個子類對象，所以調用fun()時，因爲dp是一個基類指針，做用域在於基類中，因此調用的是基類的fun()，而調用vfun()是經過動態綁定調用虛函數表中被子類覆蓋的Derive::vfun()，而若是要調用dfun()時則會出現編譯錯誤，由於子類獨有成員基類指針不可見。

注：在解有關動態多態的題時，只要把握住一點：這個指針指向的究竟是基類對象仍是子類對象，若是是基類對象，則調用基類的成員函數，若是是子類對象，則要考慮到這個虛成員函數是否被子類中的成員覆蓋掉，便是否產生了動態綁定。另外還有一點，從子類對象強制類型轉換爲基類對象是容許的，而相反地要從基類對象強制轉換成子類對象是錯誤的（編譯不經過）。

Base* dp1 = new Derive(); 
Derive* dp2 = (Derive*) dp1; //基類指針指向的是子類對象，能夠強制轉化爲子類指針

Base* bp1 = new Base();
Derive* bp2 = (Base*) bp1; //錯誤，[Error] invalid conversion from 'Base*' to 'Derive*' [-fpermissive]                           //基類指針指向的是基類對象，不能強制轉化爲子類指針