C++——多态|虚函数|重写|虚表
文章目录
- 1. 多态的概念
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- 1.1 概念
- 2. 多态的定义及实现
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- 2.1多态的构成条件
- 2.2 虚函数
- 2.3虚函数的重写
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- 虚函数重写的三个例外：
- 2.4 普通调用和多态调用：
- 2.5 C++11 override 和 final
- 2.6 重载、虚函数的覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
- 3. 抽象类(有关纯虚函数)
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- 3.1 概念
- 3.2 接口继承和实现继承
- 4.多态的原理
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- 4.1虚函数表
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- 派生类的虚表生成流程：
- 虚函数存在哪的？虚表存在哪的？
- 4.2多态的原理
- 4.3 动态绑定与静态绑定
- 5.单继承和多继承关系的虚函数表
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- 5.1 如何打印单继承中的虚函数表
- 5.2 打印多继承中的虚函数表
1. 多态的概念
1.1 概念
静态的多态：函数重载
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。
举个栗子：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。
2. 多态的定义及实现
2.1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
下面是多态的实现代码以及流程：
2.2 虚函数
虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。
虚函数的作用是用来实现多态。
class Person {
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
- 内联函数不能是虚函数
解释：因为内联函数在编译期间是要被展开的，没有函数地址，而虚函数都有一张虚表，是虚函数就需要把虚函数的地址存放到虚表中，二者相互矛盾。由于内联函数是建议型关键字，你把虚函数声明成内联函数并不会报错，是不是内联要由编译器来决定。 - 虚函数不可以是一个static型的函数
解释：因为静态函数是没有this指针的，虚函数的调用时通过this指针来调用对象的信息，才能调用虚表，所以没有this的指针的函数是不能当作虚函数的。 - 虚函数必须是成员函数。
解释：只有成员函数才能形成虚表，有虚表才会有虚函数的地址。
2.3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。
注意：派生类对于基类虚函数的重写，只改变实现，不改变接口，多态调用时，派生类虚函数接口完全继承于基类，包括参数列表的缺省值 等。
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 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;
}
虚函数重写的三个例外：
- 子类虚函数可以不加
virtual。（建议父类子类虚函数都加上virtual）
解释：子类继承父类虚函数BuyTicket()，如果在子类中压根没写BuyTicket()，因为继承，在子类中也是存在的而且也是虚函数；即使在子类中有BuyTicket()，那么也认为子类只是对BuyTicket()的实现进行重写，实现不一样，其他的基本都是一样的，所以子类虚函数可以不加virtual。但不推荐这样做。 - 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。
解释：就是在 三同中（返回值类型、函数名字、参数列表完全相同（只要求参数类型相同即可，不看参数的缺省值是否相同）），返回值可以不同，但是要求返回值必须是一个父子类关系的指针或者引用（这个指针或者引用可以是其他类型的，也可以是这个父子类自己的），称为协变。（了解）
请看下面示例代码：
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; }
};
- 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。
解释：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，编译后对所有析构函数的名称统一处理成destructor()。
关于析构函数还有下面需要注意的地方：
- 如果基类没有把析构函数变为虚函数，子类也没有设置，它俩只是继承关系，那么下面的例子中
delete p1;和delete p2;只是普通调用。
普通调用的话delete对于自定义类型：
第一步：在空间上执行析构函数，完成对象中资源的清理工作
第二步：调用operator delete函数释放对象的空间
那么就会看到下面错误析构的场景
delete看到谁的指针就只析构谁，那么这样的话p2所维护的Student那一部分没有被析构，就造成了内存泄漏。 - 当基类加上
virtual的时候此时Person和Student就具有了多态的特性，这时使用delete的时候就是多态调用，那么多态调用的话，调用析构函数就跟指向的对象有关了，此时Person指针p2指向的对象是student，析构的时候会先析构派生类再析构基类。如下图所示：
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;
}
所以实现父类的时候，可以无脑给析构函数加virtaul
2.4 普通调用和多态调用：
- 普通调用：跟调用对象类型有关
解释：就像普通函数调用，参数列表是A对象，传参也是A类型的对象，下面调用成员的时候一定是和A对象有关的。 - 多态调用：跟指针/引用指向的对象有关
解释：多态调用就不一样了，参数列表是A对象的指针/引用，B继承A，传参的时候就可能是B对象，函数内部调用的时候就都是B对象的成员了。
2.5 C++11 override 和 final
从上面可以看出，C++对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重载，而这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运行时没有得到预期结果才来debug会得不偿失，因此：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。
- final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写（非常少用）
class Car
{
public:
virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
- override: 检查派生类虚函数是否正确重写了基类某个虚函数，如果没有正确重写编译报错。
class Car {
public:
virtual void Drive() {}
};
class Benz :public Car {
public:
virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
2.6 重载、虚函数的覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
3. 抽象类(有关纯虚函数)
3.1 概念
在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数，虚函数可以有实现。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。
- 抽象类可以定义指针，而且经常这样做，其目的就是用父类指针指向子类从而实现多态
class Car//Car就是一个抽象类
{
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();
}
3.2 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。
4.多态的原理
4.1虚函数表
// 这里常考一道笔试题：sizeof(b)是多少？
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
int main()
{
Base b;
std::cout<<sizeof(b);
return 0;
}
通过观察测试我们发现b对象是12bytes，除了_b和_ch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)，所以根据结构体内存对齐Base类是占12个字节的，对象中的这个指针叫做虚函数表指针/虚表指针(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。
那么派生类中这个表放了些什么呢？我们接着往下分析
// 针对上面的代码我们做出以下改造
// 1.我们增加一个派生类Derive去继承Base
// 2.Derive中重写Func1
// 3.Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3
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：
- 派生类对象d中也有一个虚表指针，指向一个自己的虚表，由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员Func1，另一部分是自己的成员Func2。
- 基类b对象和派生类d对象的虚表是不一样的，这里我们发现派生类对于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。
- 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。
- 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。
派生类的虚表生成流程：
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。
补充：虚函数表是在编译阶段生成的，一般情况下存在代码段(常量区)。
在构造函数初始化列表中进行初始化(虚表指针)
虚函数存在哪的？虚表存在哪的？
答：虚表存的是虚函数的指针，不是虚函数，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是这些虚函数的指针（地址）又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表的指针（地址）。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。
验证原理：带有虚函数的一个类里的前四个字节是虚函数表指针，这个想要知道虚表在哪？看看这个指针指向的位置在哪？就可以知道虚表在哪了。
核心代码：如何去取一个be类对象的头四个字节(void*)*((int*)&be)
验证代码：
int main()
{
int a = 0;
cout << "栈:" << &a << endl;
int* p1 = new int;
cout << "堆:" << p1 << endl;
const char* str = "hello world";
cout << "代码段/常量区:" << (void*)str << endl;
static int b = 0;
cout << "静态区/数据段:" << &b << endl;
Base be;
cout << "Base虚表:" << (void*)*((int*)&be) << endl;
Base be1;
Base* ptr1 = &be1;
int* ptr2 = (int*)ptr1;
printf("Base虚表:%p\n", *ptr2);
Derive de;
cout << "Derive虚表:" << (void*)*((int*)&de) << endl;
return 0;
}
最后运行结束得到如下结论：
首先可以看到这些类的虚函数表地址都和代码段/常量区相差的不太远，所以其实虚函数表地址也是在公共的代码段/常量区。
因此，一个类的不同对象的虚函数表地址都是一样的，就像上面的be和be1。
4.2多态的原理
那么多态的原理到底是什么？看下面例子：
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;
}
下面是多态调用的汇编代码：
void Func(Person* p)
{
p->BuyTicket();
}
int main()
{
Person mike;
Func(&mike);
mike.BuyTicket();
return 0;
}
// 以下汇编代码中跟这个问题不相关的都被去掉了
void Func(Person* p)
{
...
p->BuyTicket();
// p中存的是mike对象的指针，将p移动到eax中
001940DE mov eax, dword ptr[p]
// [eax]就是取eax值指向的内容，这里相当于把mike对象头4个字节(虚表指针)移动到了edx
001940E1 mov edx, dword ptr[eax]
// [edx]就是取edx值指向的内容，这里相当于把虚表中的头4字节存的虚函数指针移动到了eax
00B823EE mov eax, dword ptr[edx]
// call eax中存虚函数的指针。这里可以看出满足多态的调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象的中去找的。
001940EA call eax
00头1940EC cmp esi, esp
}
int main()
{
...
// 首先BuyTicket虽然是虚函数，但是mike是对象，不满足多态的条件，所以这里是普通函数的调用转换成地址时，是在编译时已经从符号表确认了函数的地址，直接call 地址
mike.BuyTicket();
00195182 lea ecx, [mike]
00195185 call Person::BuyTicket(01914F6h)
...
}
结论：
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。
通过汇编代码分析，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中的虚表指针，通过虚表找到要调用虚函数的实现，从而完成多态的正确调用。
普通函数的调用是在编译时已经从符号表确认了函数的地址，程序运行时直接call地址即可。
4.3 动态绑定与静态绑定
- 静态绑定又称为前期绑定(早绑定)，在程序编译期间确定了程序的行为，也称为静态多态，比如：函数重载
- 动态绑定又称后期绑定(晚绑定)，在程序运行期间，根据具体拿到的类型确定程序的具体行为，调用具体的函数，也称为动态多态。
5.单继承和多继承关系的虚函数表
5.1 如何打印单继承中的虚函数表
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;
};
观察下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vs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。
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。
typedef void(*VFPTR) ();//把VFPTR定义为一个函数指针类型
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;
VFPTR * vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
PrintVTable(vTableb);
VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
PrintVTable(vTabled);
return 0;
}
5.2 打印多继承中的虚函数表
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
- 多继承的继承顺序就是初始化顺序
- 多继承的时候，一个类就会有多张虚表
