【C++进阶之路】多态篇
文章目录
- 前言
- 一、概念
-
- 1.分类
- 2.实现条件
-
- ①重写虚函数
-
- 1.1总结三重
- 1.2 final与override
- ②父类的指针或者引用
-
- 2.1普通调用VS多态调用
- 3.抽象类
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- 3.1. 纯虚函数
- 3.2. 接口继承和实现继承
- 二、原理及使用
-
- 1.虚函数表 —— 虚表
- 2.默认成员函数
-
- 2.1构造函数
- 2.2析构函数
- 3. 多继承
-
- 3.1普通的多继承 + 虚函数
- 3.2菱形继承 + 虚函数
- 3.3菱形虚拟继承 + 虚函数
- 4.inline与static
-
- 4.1inline
- 4.2 static
- 总结
前言
多态，顾名思义，就是一件事物具备不同的形态，是继承之后，面向对象的第三大特性，可以这样说：有了继承才有了类的多态，而类的多态是为了更好的实现继承。
多态的列车即将起航，不知你准备好了吗？
一、概念
继承与多态相辅相成。
举个例子：
我们都是人（具备人都有的信息——性别，年龄等），在社会上我们又会具备不同的身份——老师，学生，工人等，那这时放假回家，要去买火车票，那这时如果你是学生火车票五折。如果是老师火车票七五折。
老师和学生都是人，人又具有不同的身份，而不同身份面临的同一件事情表现的具体形态不同。
因此：老师和学生继承人的信息，从而使人对同一件事表现出不同的形态，这样就是多态。
那语法层面上是如何实现多态呢？
1.分类
多态,我们其实已经接触过一种，叫函数重载，根据传参不同而调用同一函数的不同形态。这叫做静态的多态，也叫静态绑定，而我们今天讲的主要是在继承之后延伸出的类的多态，叫动态的多态，也叫动态绑定。
这里根据上面的例子，列出一段代码：
#include运行结果如下：
初学者看懂个大概即可，语法和原理下面会细讲。
2.实现条件
主要实现方法有两个。
①重写虚函数
- 所谓虚函数，就是在函数的前面加上
virtual。
那重点就在于重写，也叫覆盖。
如何才能构成重写呢？或者什么叫做重写呢？
- 首先父类至少得有虚函数。
- 一般来说，子类虚函数得跟父类的虚函数的函数名，参数类型，返回类型相同，简称三同。
细节：
- 子类的函数前可不加virtual。
- 返回类型可以不同，但是必须是父子类的指针或者引用，且父类只能是父类的指针或者引用，子类必须是子类的指针或者引用。 ——
协变 - 重写的是实现。
到这重写的条件就讲清了，至于什么叫重写，其实很简单就是：在达成重写的条件下，子类的虚函数替换掉父类的虚函数，从而达成用指向子类的父类指针，在调用此虚函数时，会调用子类的虚函数，而不是父类的虚函数。
列一段代码，看结果便可明了。
#include运行结果如下：
- 解释细节3：壳还是套的父类，仅仅改变了作用域和实现, 如果便于理解，你也可以认为参数名也改了——但实际上
底层用的是地址和寄存器，根本不关心参数名，这也是细节1的原因。
1.1总结三重
1.2 final与override
- override——对虚函数的重写进行检查。
class Student : public Person
{
public:
Student* BuyTickets (int val2 = 0) override
{
cout << "学生->半价" << endl;
cout << val2 << endl;
return nullptr;
}
//void fun1() override
//{
//}
//
//此注释代码不符合重写条件，故报错。
};
- final
- 禁止派生类重写此虚函数
class Person
{
public:
virtual void BuyTickets()final
{
cout << "全价" << endl;
}
};
class Student : public Person
{
public:
//因为此函数构成重写，派生类会重写虚函数，因此会报错。
void BuyTickets ()
{
cout << "学生->半价" << endl;
}
};
- 禁止此类被继承(语法层面) —— C++11
class A final
{};
//因为B继承A，所以会报错。
class B : public A
{};
C++98采用构造函数/析构函数私有来进行实现不可被继承（应用层面）。
- 构造私有
class A
{
public:
static A* CreatObj()
{
return new A;
}
private:
A()
{}
};
class B : public A
{
//原理为父类的私有成员在派生类中不可见。
};
int main()
{
A* a = A::CreatObj();
//B b;报错
return 0;
}
- 析构私有
class A
{
public:
void Destory()
{
A::~A();
}
private:
~A()
{}
};
class B : public A
{
public:
//原理为父类的私有成员在派生类中不可见。
};
int main()
{
A* ptra = new A;
ptra->Destory();
operator delete (ptra);
//B b;
//报错
return 0;
}
②父类的指针或者引用
为啥必须是父类的指针和引用呢？
从概念上理解，是人具有多种形态，而不是老师具有多种形态，因为人是比较抽象的，赋予了某种身份才具象化。
再换一个例子，是植物具有多种形态，还是玫瑰花具有多种形态？其原因还是一样的，植物没有赋予固定的形态，是比较抽象的，而给植物赋予玫瑰花的身份是具象的。
- 所以父类这种比较抽象的状态是符合多态的。 当然从C++语法上来说父类也可以是具体的。 但都是
为了改变父类的指向从而调用父类的虚函数。
补充：
子类也可以有多种形态，这是把子类当做父类来看的，就比如动物里面有猫，而猫分为很多种，比如波斯猫，布偶猫等。
细节： 指定作用域，可破坏多态的条件：
void BuyTicket(Person & per)
{
per.Person::BuyTickets();
}
-
为啥不能是子类的指针或者引用？
-
为啥不是是父类对象？（涉及原理之后再讲）
2.1普通调用VS多态调用
#include汇编图解：
3.抽象类
3.1. 纯虚函数
- 在虚函数后面加上 “= 0” 即为纯虚函数,切记语法规定只能是0。
class A
{
public:
virtual void fun1() = 0;
};
纯虚函数所在类是不能实例化的。
补充：空函数——实现啥也没有
如：void func() {}
class B : public A
{}
这里B继承了A，纯虚函数也被继承了，因此B也无法进行实例化。
像这样，有纯虚函数的类，就是抽象类。
那如何使用呢？很简单子类将纯虚函数进行重写，不就能使用了么。
- 因此抽象类，会强制子类重写虚函数（应用）。
class B : public A
{
public:
virtual void fun1()
{
cout << "B::fun1()" << endl;
}
};
B进行重写后，就不含纯虚函数，也就不是抽象类了。
如果你执意要调用，也是可以的，不过会报错：
int main()
{
B b;
A* a = &b;
a->fun1();
return 0;
}
3.2. 接口继承和实现继承
- 普通的继承，直接对成员函数进行复用，俗称接口继承。
- 多态的继承，对虚函数进行重写，重写的是实现。俗称实现继承。
二、原理及使用
1.虚函数表 —— 虚表
引入：
#include运行结果：
为啥不是4（8字节对齐）呢？难道多了什么吗？
查看监视窗口：
调用构造函数前~
调用构造函数后~
- 首先在构造函数调用前，比我们预想多了一个指针，是void** 类型的，并且没有被初始化。这就足以证明，8字节是咋来的了。
- 在调用构造函数后，可以看到_vftptr的指针的具体信息，并被初始化了，大概是_vftptr指针指向的是一个数组，数组有两个元素，元素所存的元素的类型为void (*) ()的虚函数指针，也就是一张存放函数指针的表。且最后一个位置存放的应该是虚函数表的结束位置。
之后证明。
那这张存放虚函数的表，我们称之为虚函数表，简称虚表。
那虚表是用来干啥呢？当然是肯定是用来实现多态的了，再说细点就是为了实现重写。
既然是这样，那我们对以下代码进行调试。
#include调试结果：
- 很显然，不同类的虚表是不同的。根据虚表指针存的值即可看出 。
- 当子类生成虚表时，把子类的虚表拷贝下来，然后对构成重写的虚函数进行覆写，这里是对原来的位置进行覆盖实现。而子类的不构成重写的虚函数则继续在虚表的后面进行排列。
- 至于这里监视窗口为啥看不到fun3，我的理解是监视窗口是站在父类的角度进行查看的，当然只能看到父类重写的虚函数和父类没有被重写的虚函数，如果能看到子类的虚函数不就怪了吗？
至于如何验证第三个位置是fun3，给出如下代码。
#include运行结果：
这是虚表的内存地址（小端）：
总结一下：
- 不同类的虚表指针的值是不同的。相同类的虚表指针的值是相同的。（不再证明，有兴趣自己看监视窗口）。
- 监视窗口看不到fun3, 是因为站的视角为父类，而fun3是子类的。
- vs2019虚表的结束位置为 0
- 子类虚表先放父类(虚函数)，再重写，再放子类（从上往下）。
- 虚表指针随着构造函数的调用而初始化，且虚表指针在对象模型的第一个位置。
下面我们继续讨论遗留下来的问题：
- 为啥不是是父类对象？
class A
{
public:
virtual void fun1()
{}
};
class B : public A
{
public:
virtual void fun1()
{}
};
int main()
{
A a;
B b;
a = b;
//拷贝不拷贝虚表？
return 0;
}
我们只看赋值之后的监视窗口：
- 可见，虚表是不会被拷贝过去的，因此，无法完成指向父类调子类的情况（多态），并且如果拷贝过去子类能调用父类的虚函数，就乱套了！因此是不拷贝虚表的。
- 为啥不是是父类对象？
那虚表存在哪呢？给出如下代码进行验证。
#include运行结果：
- 可见虚表地址与常量区地址仅仅差8个字节。
- 因此：虚表至少在VS2019下是存在常量区的。
2.默认成员函数
2.1构造函数
- 语法上，不允许在构造函数前加virtual。
那为什么呢？
利用之前得到的结论，虚表指针是在构造函数调用时才被初始化的！ 如果构造函数是虚函数，那虚表指针都没有初始化，如何调用虚函数呢？典型的先有虚函数指针 还是 先调用构造函数的问题。因此语法上禁掉了。
2.2析构函数
- 语法上，允许在析构函数前加virtual。
这是为啥呢？
举一段错误代码，一看便知：
#include运行结果 :
- 很明显的问题出来了，竟然没有调用子类的析构函数。这是由于向上转换发生的切割现象。会导致内存泄漏的问题。
如何解决？
- 析构函数前加virtual,那假设上面的代码加上virtual，那delete 子类指针会形成多态，指向父类调用父类的析构函数，指向子类调用子类的析构函数。
3. 多继承
3.1普通的多继承 + 虚函数
举出如下代码进行实验：
#include首先我们要看初始化之后的类C的对象模型：
- 细节：可以根据_vfptr的的信息看出有几个元素。这里A的有四个，B的有三个。
根据此画出对象模型：
运行结果：
- 总结：继承的子类的不构成重写虚函数不会再生成虚表(除非没有)，
而是将虚函数放在第一个父类的虚表中;多继承父类不共享虚表，而是各用个的。
除此之外，这里还会衍生出一个问题：运行结果C::fun1()的地址竟然不同，这是为什么呢？
将上述代码进行简化：
#include调用函数的反汇编流程图：
- 可见，b对象在调用真正的fun1时拐了一个弯，然后再调用fun1。
为啥要这样这样做呢？
- 看关键动作——对ecx减8，ecx存放的是this指针，对this指针减8，到C对象的this指针位置，通过C的this指针再进行调用fun1。为啥要这样做呢？因为fun1的作用域是C的类域，直接用B的this指针显然不合理。
- 因此：调整B的this指针是为了类域的独立性，那A对象咋不用呢？因为A的this指针本就可以当做D的this指针进行使用，没必要再偏。
3.2菱形继承 + 虚函数
同样给出一段代码实验：
#include初始化对象后的D类的监视窗口：
运行结果：
据此画出D类对象的对象模型：
- 其实跟多继承差不多，也就多套了一层，这里解释一下，B类的fun1重写A类的fun1,D类的fun2重写B类的fun2,D类的fun3放在第一个父类对象的虚表中。C类同理这里就不多说了。
3.3菱形虚拟继承 + 虚函数
贴出一段代码进行实验：
#included初始化后的监视窗口：
运行结果:
结合内存画出对象模型:
- D单独的虚函数放在第一张虚表中，如果除A的虚表外，没有虚表可以放，那就放自己的虚表中。
- B，C的各自的虚函数，分别存在两张虚表中。
- A，存放一张虚表。
- 类对象第一个位置存放的是虚表指针，而不是虚基表指针。 因此虚基表指针指向的第一个位置变成了
ff ff ff fc，转换成int也就是- 4，这是虚表指针的地址相对类的this指针偏移量（this指针 - 虚表指针的地址）。第二个位置存的是虚表指针的地址相对于A的偏移量。第三个位置存的是0，个人理解：表示终止位置。
此外，我们还需注意避免不同子类重写基类的问题：
#include编译结果：
画个图理解一下：
- 问题：二义性，A不知该继承谁的。
- 解决方法：交给孙子类决定。
代码如下：
class A
{
public:
virtual void fun1()
{}
int _a = 0;
};
class B : virtual public A
{
public:
virtual void fun1()
{}
int _b = 0;
};
class C : virtual public A
{
public:
virtual void fun1()
{}
int _c = 0;
};
class D : public B, public C
{
public:
virtual void fun1()
{}
virtual void fun2()
{}
int _d;
};
4.inline与static
4.1inline
补充知识：
1.内联函数，可以说不是函数，是一段代码。
2.类里面的成员函数，默认inline修饰。
3. inline修饰函数,不一定是内联函数，取决于函数的实现是否复杂，最终还是要编译器决定的。但内联函数一定是被inline修饰的！
- 虚函数前是可以加inline的，但其不是内联函数，原因是因为虚函数是需要被放在虚表中的。
4.2 static
- static是不能修饰虚函数的，其原因在于
虚函数是为了实现多态的，而多态的条件是父类的指针或者引用，其本质上都是传了子类的this指针，但static修饰的函数是没有this指针的，无法实现多态，因此不能用static修饰虚函数。
总结
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