【C++】多态
文章目录
- 多态的概念
- 多态的定义和实现
- 虚函数的重写
- 虚函数重写的两个例外
- C++11 override 和 final
- 5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
- 抽象类
- 接口继承和实现继承
- 多态的原理
- 虚函数表
- 写一个函数打印虚表当中的虚函数地址
- 多态的原理
- 多继承中的虚函数表
- 动态绑定与静态绑定
- 菱形继承的虚表&&在继承当中查看地址有一行0
- 问答题
多态的概念
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。
多态的定义和实现
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（父类）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（子类）必须对基类的虚函数进行重写（或者覆盖）
虚函数的重写
虚函数的重写(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：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
#include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; }
};
// 只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数，下面的delete对象调用析构函
//数，才能构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确的调用析构函数。
int main()
{
Person* p1 = new Person;
Person* p2 = new Student;
delete p1;
delete p2;
return 0;
}
从下面图片当中可以看到要是不使用虚函数，会导致内存泄漏，student类并没有析构，不是虚函数时，调用类是根据类型调用的。
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。
1. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写
class Car
{
public:
virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
2. 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; }
};
5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
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();
}
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。
多态的原理
虚函数表
// 这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
int main()
{
Base b;
cout << sizeof(b) << endl;//8
return 0;
}
通过观察测试我们发现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x86,x64)，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,ptr代表pointer)。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。
// 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，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。
- 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（vs当中的编译器存在，g++是不存在的）。
- 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。
- 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。虚表存在代码段（常量区）
#include通过上面的代码，父类的虚表当中有两个地址，也就是有两个虚函数，而子类当中在监视窗口查看的也是两个地址，只有func1和func2，并没有func3所以接下来就来证明一下子类虚表当中是存在三个虚函数地址的。
在下面的内存监视窗口明显也可以感觉到虚表当中是存放三个虚函数地址的。
写一个函数打印虚表当中的虚函数地址
typedef void(*VF_PTR)();//为了简便一点
void PrintVF_PTR(VF_PTR table[])
{
for (int i = 0; table[i] != nullptr; i++)
{
cout << table[i] << endl;
}
cout << endl;
}
int main()
{
Base b;
Derive d;
//第一种方法
/*PrintVF_PTR((VF_PTR*)(*(int*)&b));
PrintVF_PTR((VF_PTR*)(*(int*)&d));*/
//第二种方法
/*PrintVF_PTR(*(VF_PTR**)&b);
PrintVF_PTR(*(VF_PTR**)&d);*/
//PrintVF_PTR((VF_PTR*)&d);//该传参的方式是错误的
return 0;
}
下面来解释一下上面传参的问题：首先是要取对象地址的首地址的四个字节，然后再将它转换为我们想要的类型
VF_PTR*。
先来说第一种方法将对象的地址转化为int类型(保证去的是对象地址的前四个字节)，然后在强转成VF_PTR*类型。
第二种方法是先将它是四个字节的指针（因为指针是四个字节在32位机器下），在强转成VF_PTR*
这里再说明一下最后的错误情况他最后取的地址并不是四个字节的情况下。PrintVF_PTR((VF_PTR*)((int*)&b))；和这条代码的效果是一样的。直接指向的是对象的类型。
// 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。
第二种方法的兼容性更强，32位和64位皆可，而第一种方法就是在两种不同的位数的机器下产生的结果也是不一样的。
虚标是在
编译的时候才产生的，而虚表当中的是指针是在构造函数初始化列表阶段是就放到虚表当中的
从下面的代码当中可以得知虚表是存在常量区当中也就是代码段。
多态的原理
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;
}
- 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。- 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。- 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。
- 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。- 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。
void Func(Person* p)
{
p->BuyTicket();
}
int main()
{
Person mike;
Func(&mike);
mike.BuyTicket();
return 0;
}
// 以下汇编代码中跟你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
以后到对象的中取找的。
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)
...
}
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%p,->", i, vTable[i]);
VFPTR f = vTable[i];
f();
}
cout << endl;
}
int main()
{
Base1 b1;
Base2 b2;
Derive d;
VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
PrintVTable(vTableb1);
//VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1)));//1
Base2* ptr = &d;
VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)ptr);//2
//使用的方法是 切片的方法
PrintVTable(vTableb2);
return 0;
}
从上面代码当中要探讨的问题是子类继承了两个父类，而子类就有了两个虚表，而在子类当中的一个虚函数是应该放在哪张表当中。通过代码的打印结果是放在第一个继承的表当中。
通过上面的图片得知func1的地址不一样了，原因是第一张虚表的首地址刚好是func1，而第二张虚表需要修正才能找到func1的位置。如果将集成的顺序颠倒一下，需要修正的表也会换成另一个表。
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)，是在程序运行期间，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。- 本小节之前(5.2小节)买票的汇编代码很好的解释了什么是静态(编译器)绑定和动态(运行时)绑
定。
菱形继承的虚表&&在继承当中查看地址有一行0
#include通过下面的监视窗口可以看到D类当中自己的虚函数会放到三张表当中的B表当中。
上面的代码对象d当中共有三张虚表，两张虚基表。
而我在学习继承的时候，偏移量上面有一行0，现在并不是0了。他的值是-4，感觉是通过它来找虚表地址，因为它的地址减4就是虚表的地址。
问答题
什么是多态？
答：多态就是分多种形态，多态分为静态多态和动态多态，静态多态就是cout,cin在编译时就进行区分的形态的，而动态多态是在运行时才去区分，虚表就是通过运行时在用指针去找。什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？
答：1.函数重载发生在同一作用域2.函数覆盖，隐藏发生在不同作用域（分别在父类和子类中）3.覆盖是隐藏的一种特殊情况4，构成覆盖的函数名，参数，返回值都相同（协变除外）5.重写的两个函数必须为虚函数多态的实现原理？答：静态多态是通过函数名的修饰规则，参数不同就会匹配到不同的地方
inline函数可以是虚函数吗？答：可以，不过编译器就忽略inline属性，这个函数就不再是
inline，因为虚函数要放到虚表中去。（内联函数只是建议，可能会被忽略，内联和虚函数只能存在一个）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。参考本节课件内容对象访问普通函数快还是虚函数更快？答：首先如果是普通对象，是一样快的。如果是指针
对象或者是引用对象，则调用的普通函数快，因为构成多态，运行时调用虚函数需要到虚函
数表中去查找。下面的代码也是属于多态调用，虽然没有构成重写，具备由父类指针调用和虚函数就是多态调用了。
虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？答：虚函数表是在编译阶段就生成的，一般情况
下存在代码段(常量区)的。C++菱形继承的问题？虚继承的原理？答：注意这里不要把虚函数表和虚基
表搞混了。什么是抽象类？抽象类的作用？答：参考（3.抽象类）。抽象类强制重写了虚函数，另外抽
象类体现出了接口继承关系。
