C++多态详解
本篇博客中的编译环境：vs2017，x86程序。
1.多态概念
同一动作的不同状态，当去完成某个行为时，由不同对象去完成时会产生不同的状态。
例如：
2.多态的实现
2.1多态的构成条件
- 必须通过基类指针或者引用调用虚函数；
- 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。
构成多态时，这两个条件缺一不可。
2.2 虚函数及虚函数重写
被virtual修饰的函数成为虚函数。
虚函数的重写：
- 前提：必须是在继承体系中，派生类对基类的虚函数进行重写；
- 派生类重写基类虚函数：派生类虚函数原型必须要与基类虚函数原型保持一致（参数列表、返回值、函数名字）；
- 派生类虚函数可以不加
virtual关键字，一般情况下都加上； - 派生类和基类虚函数的访问权限可以不同。
例如：
class People//基类
{
public:
virtual void BuyNote()
{
cout << "购买全票" << endl;
}
};
class Student : public People//派生类，学生
{
virtual void BuyNote()
{
cout << "购买半票" << endl;
}
};
class Child : public People//派生类，child
{
virtual void BuyNote()
{
cout << "免费" << endl;
}
};
void Test(People& D)//测试
{
D.BuyNote();
}
int main()
{
People A;
Student B;
Child C;
Test(A);
Test(B);
Test(C);
return 0;
}
上述代码的测试条件：
- 采用基类引用调用虚函数
- 调用的函数都为虚函数
- 派生类和基类的虚函数访问权限不同，基类为
public，派生类为private
结果：
虚函数重写的两个例外：
- 协变（基类与派生类虚函数返回值类型不同）
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。
例：
class A
{
};
class B : public A
{
};
class C
{
public:
virtual A* func()
{
return new A;
}
};
class D
{
public:
virtual B* func()
{
return new B;
}
};
- 析构函数的重写（基类与派生类析构函数的名字不同）
如果基类析构函数为虚函数，派生类析构函数给出之后，无论是否增加virtual关键字，都对基类析构函数进行了重写；
注意：在继承体系中，最好将基类中的析构函数设计为虚函数，如果子类涉及到资源管理，一定要将基类析构函数设计为虚函数。
2.3C++11中 override和final
- override：检查派生类虚函数是否重写了基类的虚函数，如果没有则编译报错；
- final：修饰虚函数，表明该虚函数不能被继承（不能被重写）
2.4 函数重载、重写、同名隐藏（重定义）的对比
3.抽象类
在虚函数后面加上 = 0，该虚函数就为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（也称为接口类），抽象类不能实例化出对象。 派生类继承之后也不能实例化出对象，只有重写虚函数，派生类才能实例化为对象。纯虚函数规范了派生类必须重写，接口继承。
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。
接口继承：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，不要将函数定义为虚函数。
4.多态原理
4.1对象模型
如果类中包含虚函数，用户没有显式定义构造函数，编译器会给用户生成一份默认的构造函数，在生成构造函数中会填充对象前4个字节的内容；如果用户显式定义了构造函数，编译器会修改用户定义的构造函数，增加一条给对象前4个字节赋值的语句。
什么情况下编译器会给类生成默认的构造函数？
- A类中包含B类的对象，A类没有显式定义构造函数，B类带有无参或者全缺省的构造函数；
- B类继承A类，A类没有显式定义构造函数，B类带有无参或者全缺省的构造函数；
- 在虚拟继承中，编译器一定会给子类生成构造函数；
- 类中如果包含虚函数，编译器一定会给该类生成构造函数。
编译器填充的前4个字节为虚表指针。
例：
class People
{
public:
virtual void BuyNote()
{
cout << "购买全票" << endl;
}
private:
int _b;
};
int main()
{
People A;
return 0;
}
vs2017中，观察其对象模型为：
即：
在派生类中：
- 如果派生类没有对基类的虚函数进行重写，也没有新增派生类的虚函数，则派生类和基类虚表中内容完全一致；但是派生类和基类使用的不是同一张虚表。
class People
{
public:
virtual void BuyNote()
{
cout << "购买全票" << endl;
}
private:
int _b;
};
class Student : public People
{
private:
int _c;
};
int main()
{
People A;
Student B;
return 0;
}
2. 如果派生类重写了基类某个虚函数，编译器就会将派生类虚函数替换相同偏移量位置的基类虚函数。
class People
{
public:
virtual void BuyNote()
{
cout << "购买全票" << endl;
}
virtual void BuyAirTicket()
{
cout << "购买全票" << endl;
}
virtual void BuyFerryTicket()
{
cout << "购买全票" << endl;
}
private:
int _b;
};
class Student : public People
{
public:
virtual void BuyNote()
{
cout << "购买半票" << endl;
}
virtual void BuyAirTicket()
{
cout << "少量优惠" << endl;
}
private:
int _c;
};
int main()
{
People A;
Student B;
return 0;
}
3. 若派生类中有新增虚函数，vs2017的监视窗口中，虚表不会显示新增的虚函数。
class People
{
public:
virtual void BuyNote()
{
cout << "购买全票" << endl;
}
virtual void BuyAirTicket()
{
cout << "购买全票" << endl;
}
virtual void BuyFerryTicket()
{
cout << "购买全票" << endl;
}
private:
int _b;
};
class Student : public People
{
public:
virtual void BuyNote()
{
cout << "购买半票" << endl;
}
virtual void BuyAirTicket()
{
cout << "少量优惠" << endl;
}
virtual void BuyAmusementParkTicket()
{
cout << "游乐园购买半票" << endl;
}
private:
int _c;
};
其实新增的虚函数也在该虚表中，只是编译器的监视窗口隐藏了该新增的虚函数。
打印虚表中的函数：
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vfptr[])
{
for (int i = 0; vfptr[i] != nullptr; ++i)
{
cout << vfptr[i] << " ";
vfptr[i]();
}
}
int main()
{
People A;
Student B;
VFPTR* vftable = (VFPTR*)(*(int*)(&B));//取到了前4个字节中的内容，整形内容，强转为VFPTR*
PrintVTable(vftable);
return 0;
}
4.2虚表
虚表中放置的是虚函数的入口地址，如果能拿到虚表中的内容，即拿到了虚函数的入口地址，则可以将该函数调用起来。
基类虚表构建过程：编译期间在编译期间，按照虚函数在类中声明的先后次序依次添加到虚表中；
派生类虚表的构建过程：
- 将基类虚表中内容拷贝一份放置到子类虚表中；
- 如果子类重写了基类的某个虚函数，则使用子类自己的虚函数替换相同偏移量位置的基类虚函数地址；
- 对于子类新增的虚函数，按照在类中声明次序，依次放在虚表的后面。
注意：
- 虚表是在编译期间生成的；
- 派生类和基类不会共享同一张虚表，即使虚表中放在相同的虚函数地址；
- 相同类的不同对象共享同一张虚表；
- 虚表中的内容不可修改。（只读）
4.3虚函数调用原理
虚函数调用：
- 获取对象地址，然后从对象中获取虚表地址；
- 传递参数&this指针；
- 从虚表中获取对应虚函数的入口地址；
- 调用该虚函数。
满足多态以后的函数调用，不是在编译期间确定的，而是在运行起来以后到对象中去找的，不满足多态的函数调用是在编译时确定的。
5.多继承下多态
class People
{
public:
virtual void BuyNote()
{
cout << "购买全票" << endl;
}
virtual void BuyAirTicket()
{
cout << "购买全票" << endl;
}
virtual void BuyFerryTicket()
{
cout << "购买全票" << endl;
}
private:
int _b;
};
class Student
{
public:
virtual void BuyAirTicket()
{
cout << "少量优惠" << endl;
}
virtual void BuyAmusementParkTicket()
{
cout << "游乐园购买半票" << endl;
}
private:
int _c;
};
class Child : public People, public Student
{
public:
virtual void BuyTrainTicket()
{
cout << "免费" << endl;
}
private:
int _d;
};
int main()
{
People A;
Student B;
Child C;
return 0;
}
派生类新增的虚函数放在了第一个继承基类的虚函数表中。其余规则，遵守单继承时虚表规则。
6.菱形继承下多态
class A
{
public:
virtual void fun1()
{
}
virtual void fun2()
{
}
};
class B : public A
{
public:
virtual void fun1()
{
}
virtual void fun3()
{
}
};
class C : public A
{
public:
virtual void fun2()
{
}
virtual void fun4()
{
}
};
class D : public B, public C
{
public:
virtual void fun4()
{
}
virtual void fun5()
{
}
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vfptr[])
{
for (int i = 0; vfptr[i] != nullptr; ++i)
{
cout << vfptr[i] << endl;
}
}
int main()
{
D d;//那么在第一个虚表中，应该存在4个虚函数
VFPTR* vftable = (VFPTR*)(*(int*)(&d));
PrintVTable(vftable);
return 0;
}
派生类菱形继承下的多态，派生类的新增虚函数，存在与第一个继承的虚表下面。菱形继承在多态中，仍会产生二义性问题。
7.菱形虚拟继承下多态
class A
{
public:
virtual void fun1()
{
}
virtual void fun2()
{
}
};
class B : virtual public A
{
public:
virtual void fun1()
{
}
virtual void fun3()
{
}
};
class C : virtual public A
{
public:
virtual void fun2()
{
}
virtual void fun4()
{
}
};
class D : public B, public C
{
public:
virtual void fun4()
{
}
virtual void fun5()
{
}
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vfptr[])
{
for (int i = 0; vfptr[i] != nullptr; ++i)
{
cout << vfptr[i] << endl;
}
}
int main()
{
D d;//那么在第一个虚表中，应该存在2个虚函数地址
VFPTR* vftable = (VFPTR*)(*(int*)(&d));
PrintVTable(vftable);
return 0;
}
.
派生类菱形继承下的多态，派生类的新增虚函数，存在与第一个继承的虚表下面。菱形虚拟继承在多态中，不会有二义性问题。
静态成员函数不能是虚函数。