C++——多态
回首o 2024-09-16 11:35:01 阅读 58
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一、多态
1.1 概念
1.2 多态的构成条件
1.2.1 虚函数
1.2.2 虚函数的重写
1.2.3 接口继承和实现继承
1.3 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
编辑
1.4 override 和 final关键字
二、 抽象类
三、多态的原理
3.1 虚函数表
3.2 多态的原理
四、单继承和多继承关系的虚函数表
4.1 单继承中的虚函数表
4.2 多继承中的虚函数表
4.3. 菱形继承、菱形虚拟继承
总结
前言
之前我们讲了C++面向对象的前两个特性：封装和继承，今天我们来讲第三个特性：多态。
一、多态
1.1 概念
多态的概念：通俗来说，就是多种形态，具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会
产生出不同的状态。 比如买票这个行为，当普通人买票时，是全价买票；学生买票时，是半价买票；军人买票时是优先买票。
1.2 多态的构成条件
多态是在
不同继承关系的类对象
，
去调用同一函数
，
产生了不同的行为
。比如Student继承了
Person。Person对象买票全价，Student对象买票半价。
那么在继承中要构成多态还有两个条件：
1. 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
2. 被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对基类的虚函数进行重写
1.2.1 虚函数
虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数
<code>class Person {
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;}
};
1.2.2 虚函数的重写
虚函数的重写(覆盖)：派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数(即派生类虚函数与基类虚函数的
返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。
class Person {
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
/*注意：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因
为继承后基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性),但是该种写法不是很规范，不建议
这样使用*/
/*void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }*/
};
void Func(Person& p)
{
p.BuyTicket(); }
int main()
{
Person ps;
Student st;
Func(ps);
Func(st);
return 0;
}
虚函数重写的两个例外：
1. 协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)
派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型不同。即基类虚函数返回基类对象的指
针或者引用，派生类虚函数返回派生类对象的指针或者引用时，称为协变。
class A{};
class B : public A {};
class Person {
public:
virtual A* f() {return new A;}
};
class Student : public Person {
public:
virtual B* f() {return new B;}
};
2. 析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)
如果基类的析构函数为虚函数，此时派生类析构函数只要定义，无论是否加virtual关键字，
都与基类的析构函数构成重写，虽然基类与派生类析构函数名字不同。虽然函数名不相同，
看起来违背了重写的规则，其实不然，这里可以理解为编译器对析构函数的名称做了特殊处
理，编译后析构函数的名称统一处理成destructor。
class Person {
public:
virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};
class Student : public Person {
public:
virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
int main()
{
Person* p1 = new Person;
Person* p2 = new Student;
delete p1;
delete p2;
return 0;
}
1.2.3 接口继承和实现继承
普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，可以使用函数，继承的是函数的实
现。虚函数的继承是一种接口继承，派生类继承的是基类虚函数的接口，目的是为了重写，达成
多态，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。
1.3 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
1.4 override 和 final关键字
C++11提供了override和final两个关键字，可以帮
助用户检测是否重写。
1. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能重写
<code>class Car
{
public:
virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive() {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};
2. final：修饰类，表示类不能被继承
class Car final
{
public:
virtual void Drive(){}
};
class Benz :public Car //error 不能被继承
{
public:
virtual void Drive() {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};
3. override: 检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有重写编译报错。
class Car{
public:
virtual void Drive(){}
};
class Benz :public Car {
public:
virtual void Drive() override {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};
二、 抽象类
在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫接口
类），抽象类不能实例化出对象。派生类继承后也不能实例化出对象，只有重写纯虚函数，派生
类才能实例化出对象。纯虚函数规范了派生类必须重写，另外纯虚函数更体现出了接口继承。
class Car
{
public:
virtual void Drive() = 0;
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive()
{
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
class BMW :public Car
{
public:
virtual void Drive()
{
cout << "BMW-操控" << endl;
}
};
void Test()
{
Car* pBenz = new Benz;
pBenz->Drive();
Car* pBMW = new BMW;
pBMW->Drive();
}
三、多态的原理
3.1 虚函数表
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
我们发现b对象是8bytes，除了_b成员，还多一个__vfptr放在对象的前面(注意有些平台可能会放到对象的最后面，这个跟平台有关)，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual，f代表function)。一个含有虚函数的类中都至少都有一个虚函数表指针，因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表。
<code>class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Base::Func1()" << endl;
}
virtual void Func2()
{
cout << "Base::Func2()" << endl;
}
void Func3()
{
cout << "Base::Func3()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Derive::Func1()" << endl;
}
private:
int _d = 2;
};
int main()
{
Base b;
Derive d;
return 0;
}
通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：
1. 派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员，虚
表指针也就是存在部分的另一部分是自己的成员。
2. 基类b对象和派生类d对象虚表是不一样的，这里我们发现Func1完成了重写，所以d的虚表
中存的是重写的Derive::Func1，所以虚函数的重写也叫作覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数
的覆盖。重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。
3. 另外Func2继承下来后是虚函数，所以放进了虚表，Func3也继承下来了，但是不是虚函
数，所以不会放进虚表。
4. 虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况这个数组最后面放了一个nullptr。
5. 总结一下派生类的虚表生成：a.先将基类中的虚表内容
拷贝一份
到派生类虚表中 b.如果派生
类
重写了基类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数
c.派生类自己
新增加的虚函数按其在派生类中的声明次序
增加到派生类虚表的最后
。
6.
注意
虚表存的是虚函数指针，不是虚函数，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是 他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。那么虚表存在哪的
呢？实际我们去验证一下会发现vs下是存在代码段的
Base对Func1进行了覆盖(重写)，所以Base存的是重写后的Func1
3.2 多态的原理
上面分析了这个半天了那么多态的原理到底是什么？还记得这里Func函数传Person调用的
Person::BuyTicket，传Student调用的是Student::BuyTicket
对于指向父类对象的指针或引用，会调用父类对象中的虚表，及父类中的虚函数，如果指向子类对象的父类指针或引用，会调用子类中拷贝父类的虚表，如果进行了重写，及调用的就是子类中的虚函数，这就是指向谁调用谁。
如：
<code>class Person {
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};
void Func(Person& p)
{
p.BuyTicket();
}
int main()
{
Person Mike;
Func(Mike);
Student Johnson;
Func(Johnson);
return 0;
}
1. 观察下图的红色箭头我们看到，p是指向mike对象时，p->BuyTicket在mike的虚表中找到虚
函数是Person::BuyTicket。
2. 观察下图的蓝色箭头我们看到，p是指向johnson对象时，p->BuyTicket在johson的虚表中
找到虚函数是Student::BuyTicket。
3. 这样就实现出了不同对象去完成同一行为时，展现出不同的形态。
4. 反过来思考我们要达到多态，有两个条件，一个是
虚函数覆盖
，一个是
对象的指针或引用调
用虚函数
。
5. 再通过下面的汇编代码分析，看出满足多态以后的函数调用，不是在编译时确定的，是运行
起来以后到对象的中取找的。不满足多态的函数调用时编译时确认好的
四、单继承和多继承关系的虚函数表
需要注意的是在单继承和多继承关系中，下面我们去关注的是派生类对象的虚表模型，因为基类
的虚表模型前面我们已经看过了，没什么需要特别研究的
4.1 单继承中的虚函数表
<code>class Base {
public :
virtual void func1() { cout<<"Base::func1" <<endl;}
virtual void func2() {cout<<"Base::func2" <<endl;}
private :
int a;
};
class Derive :public Base {
public :
virtual void func1() {cout<<"Derive::func1" <<endl;}
virtual void func3() {cout<<"Derive::func3" <<endl;}
virtual void func4() {cout<<"Derive::func4" <<endl;}
private :
int b;
};
观察上图中的监视窗口中我们发现看不见func3和func4。这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这
两个函数，也可以认为是他的一个小bug。那么我们如何查看d的虚表呢？下面我们使用代码打印
出虚表中的函数。
<code>typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
{
printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
VFPTR f = vTable[i];
f();
}
cout << endl;
}
int main()
{
Base b;
Derive d;
// 思路：取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，前面我们说了虚函数表本质是一个存虚函数
指针的指针数组，这个数组最后面放了一个nullptr
// 1.先取b的地址，强转成一个int*的指针
// 2.再解引用取值，就取到了b对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针
// 3.再强转成VFPTR*，因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。
// 4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表
// 5.需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最
//后面没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的-生成-清理解决方案，
//再编译就好了。
VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
PrintVTable(vTableb);
VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
PrintVTable(vTabled);
return 0;
}
4.2 多继承中的虚函数表
<code>class Base1 {
public:
virtual void func1() {cout << "Base1::func1" << endl;}
virtual void func2() {cout << "Base1::func2" << endl;}
private:
int b1;
};
class Base2 {
public:
virtual void func1() {cout << "Base2::func1" << endl;}
virtual void func2() {cout << "Base2::func2" << endl;}
private:
int b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:
virtual void func1() {cout << "Derive::func1" << endl;}
virtual void func3() {cout << "Derive::func3" << endl;}
private:
int d1;
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
{
printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
VFPTR f = vTable[i];
f();
}
cout << endl;
}
int main()
{
Derive d;
VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
PrintVTable(vTableb1);
VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d+sizeof(Base1)));
PrintVTable(vTableb2);
return 0;
}
观察下图可以看出：多继承派生类的未重写的虚函数放在第一个继承基类部分的虚函数表中
4.3. 菱形继承、菱形虚拟继承
菱形继承
<code>class A
{
public:
virtual void func1() { cout << "A::func1" << endl; }
int _a;
};
class B : public A
{
public:
virtual void func2() { cout << "B::func2" << endl; }
int _b;
};
class C : public A
{
public:
virtual void func3() { cout << "C::func3" << endl; }
int _c;
};
class D : public B, public C
{
public:
virtual void func4() { cout << "D::func4" << endl; }
int _d;
};
int main()
{
D d;
cout << sizeof(d) << endl;
// 结论菱形继承的对象模型跟多继承类似
d.B::_a = 1;
d.C::_a = 2;
d._b = 3;
d._c = 4;
d._d = 5;
return 0;
}
d对象模型
菱形虚拟继承
<code>class A
{
public:
virtual void func1() { cout << "A::func1" << endl; }
int _a;
};
class B : public A
{
public:
virtual void func2() { cout << "B::func2" << endl; }
int _b;
};
class C : public A
{
public:
virtual void func3() { cout << "C::func3" << endl; }
int _c;
};
class D : virtual public B, virtual public C
{
public:
virtual void func4() { cout << "D::func4" << endl; }
int _d;
};
int main()
{
D d;
cout << sizeof(d) << endl;
// 结论菱形继承的对象模型跟多继承类似
d.B::_a = 1;
d.C::_a = 2;
d._b = 3;
d._c = 4;
d._d = 5;
return 0;
}
d对象模型：
问题：
静态成员可以是虚函数吗？答：不能，因为静态成员函数没有this指针，使用类型::成员函数
的调用方式无法访问虚函数表，所以静态成员函数无法放进虚函数表。
构造函数可以是虚函数吗？答：不能，因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表
阶段才初始化的。
析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？答：可以，并且最好把基类的析
构函数定义成虚函数
总结
上述文章我们了解什么是多态，了解了多态的原理，希望对你有所帮助。
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