C++における多態性

Q: Q：[なぜ]仮想関数だけでなく、デストラクタも[仮想でなければならない]のですか？

A： [もし] delete [が] 派生クラスのオブジェクト[を指す] 基底クラスのポインタを[削除した]場合、[かつ] 基底クラスの[デストラクタが] [仮想でない] 場合、[その際は] 基底クラスの[デストラクタのみが呼び出され]、派生クラスの[リソースがリークしてしまう]。

Q: [黄金律]：

基底クラスに[仮想関数]がある場合、~base class() [必ず] virtualでなければならない。

Q: Q：override [と] final [の違いは]？

A：> - override：コンパイラに、この関数が基底クラスの仮想関数をオーバーライドしていることを伝える（コンパイラにチェックを任せる） > - final：コンパイラに、この関数はオーバーライドできないことを伝える（派生クラス内で使用する場合）

[第]31[課では]継承について学びました――[派生クラスが]基底クラスの[コードを][再利用]する仕組みです。

[しかし実際の場面では]、[baseクラスのポインタを使って、異なる派生クラスのオブジェクトを統一的に処理する必要がある]。

[これこそが]ポリモーフィズム――「[1つの]インターフェース、[複数の実装]」。

1. 多態性とは何か？

(1) 1.1 [日常生活における]多型

[生活シーン]	番組[での対応]
[犬に]「[吠え]」と言うと、[犬は]「[ワンワン]」と吠える	[基底クラスのポインタ] [を呼び出す] `speak()`、[実際には]派生クラスの[バージョン]が実行される
[猫に]「[鳴け]」と言うと、[猫は]「[ニャーニャー]」と鳴く	[同じ]関数を[呼び出す]場合でも、[異なる]オブジェクトでは[挙動が異なる]

ポリモーフィズム[の本質]： [基底クラスのポインタが]派生クラスのオブジェクトを[指し示している]場合、[仮想関数を呼び出すと][動的バインディング]により[派生クラスの実装]に[結び付けられる]。

(2) 1.2 なぜ多態性が必要なのか？

[不要]多態性（[面倒]）：

▶ サンプル 2: オブジェクト指向[プログラミングデモ] (難易度 ⭐)

CPP

#include iostream

class Dog {
public:
 void speak() { std::cout << "！" << std::endl; }
};

class Cat {
public:
 void speak() { std::cout << "！" << std::endl; }
};

int main() {
 Dog* d = new Dog();
 Cat* c = new Cat();
 
 d->speak();
 c->speak();
 // ❌
 
 return 0;
}

▶ 試してみよう

[用]多態性（[簡潔]）：

CPP

#include iostream

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

class Dog : public Animal {
public:
 void speak() override { std::cout << "！" << std::endl; }
};

class Cat : public Animal {
public:
 void speak() override { std::cout << "！" << std::endl; }
};

int main() {
 Animal* animals = {new Dog(), new Cat()};
 
 for (int i = 0; i < 2; i++) {
 animals[i]->speak(); // ✅ polymorphism：calling
 }
 
 return 0;
}

2. 仮想関数（virtual）

基本的な使い方

[基底クラス]内で[関数]をvirtualとして宣言し、[派生クラス]内でoverride（[オーバーライド]）を行う。

CPP

#include iostream
#include string

class Animal {
protected:
 std::string name;
 
public:
 Animal(const std::string& n) : name(n) {}
 
 // ...
 virtual void speak() {
 std::cout << name << " makes a sound." << std::endl;
 }
 
 //！
 virtual ~Animal() {}
};

class Dog : public Animal {
public:
 Dog(const std::string& n) : Animal(n) {}
 
 void speak() override {
 std::cout << name << "says:！" << std::endl;
 }
};

int main() {
 Animal* a = new Dog("Buddy");
 a->speak(); // ✅ output：Buddy says:！
 
 delete a; // ✅ calling Dog 'sdestructor，calling Animal 's
 return 0;
}

⚠️ [重要]： 基底クラスに仮想関数が[ある]場合、デストラクタも[明示的に宣言する]必要があります virtual！[そうしないと] delete 基底クラスのポインタを経由して派生クラスのデストラクタが[呼び出されません]。

(2) 2.2 [キーワード]のオーバーライド（C++11）

C++11では、overrideという[キーワード]が[導入され]、これによりコンパイラが[仮想関数が実際にオーバーライドされているかどうかを]チェックしてくれるようになりました。

CPP

class Dog : public Animal {
public:
 // ✅ override，compilation
 void speak() override { ... }
 
 // ❌ write（ void speak(int x)），compilation
 // void speak(int x) override { ... } //：
};

💡 [アドバイス]： [常に] overrideを追加——[コンパイラに]バグの検出を[任せる]。

3. 純粋仮想関数と抽象クラス

(1) 3.1 純粋仮想関数とは何か？

純粋仮想関数とは、基底クラス内で[宣言のみ行われ、実装は行われない]仮想関数のことであり、= 0で[マーク]されます。

CPP

class Animal {
public:
 // ...
 virtual void speak() = 0;
 
 virtual ~Animal() {}
};

[純粋仮想関数を持つ]クラスは[「抽象クラス」と呼ばれる]——[インスタンス化はできず]、[基底クラスとしてのみ使用できる]。

CPP

Animal a; // ❌ compilation：
Animal* p = new Dog("Buddy"); // ✅ Usingpointer

(2) 3.2 なぜ純粋仮想関数が必要なのか？

[派生クラス]は[この]関数を[必ず][オーバーライド]**しなければなりません。

CPP

class Animal {
public:
 virtual void speak() = 0; // ...
};

class Dog : public Animal {
public:
 void speak() override {
 std::cout << "！" << std::endl;
 }
 // ✅ write speak()，compilation
};

4. 仮想関数[の]仕組み（[選択科目]）

(1) 4.1 仮想関数[表]（vtable）

C++ [用語]仮想関数[表]（vtable）[実装]多態性：

[仮想関数]を持つクラスに対して、コンパイラはvtable（[仮想関数のアドレスを格納する]テーブル）を生成する。
[各]オブジェクト[には、隠された] vptr（[vtableを]指す[ポインタ]）が含まれている
[仮想関数を呼び出す際]、vptr [を通じて] [正しい]関数アドレスを特定する

💡 [ヒント]： [これが、仮想関数を持つ]クラスやオブジェクトが[ポインタ分のサイズ]（64[ビットシステムでは]8[バイト]）を余分に占める理由です。

❓ よくある質問

Q：[なぜ]仮想関数だけでなく、デストラクタも[仮想でなければならない]のですか？ A： [もし] delete [が] 派生クラスのオブジェクト[を指す] 基底クラスのポインタを[削除した]場合、[かつ] 基底クラスの[デストラクタが] [仮想でない] 場合、[その際は] 基底クラスの[デストラクタのみが呼び出され]、派生クラスの[リソースがリークしてしまう]。
CPP
Animal* a = new Dog("Buddy");
delete a; // ❌ [もし] ~Animal() が仮想関数でなければ、Dog のデストラクタは呼び出されない
[黄金律]： 基底クラスに[仮想関数]がある場合、~base class() [必ず] virtualでなければならない。

Q：override [と] final [の違いは]？ A：> - override：コンパイラに、この関数が基底クラスの仮想関数をオーバーライドしていることを伝える（コンパイラにチェックを任せる） > - final：コンパイラに、この関数はオーバーライドできないことを伝える（派生クラス内で使用する場合）
CPP
class Dog : public Animal {
public:
void speak() override final { ... } // final：派生クラスでは[speak()を再定義できない]
};

Q：[いつ]ポリモーフィズムを使うべきですか？** A：[異なる]型のオブジェクトを[統一された]インターフェースで[扱う]必要がある[とき]です。

[代表的なシナリオ]：

[ゲーム]：[全キャラクター]の継承[元] Character、[用] Character* [一元管理]

GUI：[すべてのコントロール]の継承[自] Widget、[用] Widget* [統一描画]

ファイル[システム]：[すべて]fileinheritance[自] File、[用] File* [統一読み書き]

📖 まとめ

ポリモーフィズム[により]基底クラスのポインタが[派生クラスの]正しい実装を呼び出せる
基底クラス[内部用] virtual [宣言]仮想関数
派生クラス[内部用] override [オーバーライド]（[コンパイラに]チェックを[任せる]）
[仮想関数を持つ]クラス、デストラクタも[そうである必要がある] virtual
純粋仮想関数（= 0）[派生クラスに][必ずオーバーライドさせる]
[純粋仮想関数を持つ]クラスは抽象クラスであり、[インスタンス化]することは[できない]

📝 練習問題

初心者（難易度 ⭐）： [定義する] Vehicle 基底クラス。このクラスには、[純粋仮想関数] void move() が含まれている。Car と Bicycle が [これを] 継承し、[それぞれ] 「[車が道路を走行している]」と「[自転車が自転車道を走行している]」を出力するようにする。
中級（難易度 ⭐⭐）： [上記の]プログラムを[拡張]し、void stop()という仮想関数を[追加]して、Carが「[車が路肩に停車]」と出力し、Bicycleが「[自転車がブレーキをかける]」と出力するように[する]。
上級（難易度 ⭐⭐⭐）： [[従業員給与システム]の設計：]
Employee [抽象]基底クラス（[氏名]、[社員番号]、[給与計算] virtual double calcSalary() = 0）

FullTimeEmployee [正社員]（[月給]）
PartTimeEmployee [パートタイム]（[時給] × [労働時間]）
[使用] vector<Employee*> [全従業員を保存]、[一括呼び出し] calcSalary()

仮想関数：基底クラス[宣言]、派生クラス[オーバーライド]、実行時多態性

virtual [キーワード宣言]仮想関数
override [正しく上書きされているか確認]
純粋仮想関数[および]抽象クラス[はインスタンス化できない]
仮想関数[表]（vtable）[実装]実行時多態性

6. 🚀 次は

[ポリモーフィズムを学びました]。[次は] テンプレート（Templates）を学びます（[第]33[回]）―― [関数や]クラス[が任意の]型に対応できるようにし、[真の]「ジェネリック[プログラミング]」を実現しましょう！

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