C++多态
C++多态
- 多态的概念
- 多态的定义及实现
-
- 多态的构成条件
- 虚函数
- 虚函数的重写
- C++11 override 和 final
- 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
- 抽象类
-
- 概念
- 接口继承和实现继承
- 多态的原理
-
- 虚函数表
- 多态的原理
- 动态绑定与静态绑定
- 单继承和多继承关系的虚函数表
-
- 单继承中的虚函数表
- 多继承中的虚函数表
- 多态常见问题
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。
举个例子：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。
多态的定义及实现
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：
- 必须通过基类的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。
虚函数
虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。
class Person
{
public:
//被virtual修饰的类成员函数
virtual void BuyTicket()
{
cout << "普通-全价" << endl;
}
};
需要注意的是：
- 只有类的非静态成员函数前可以加virtual，普通函数前不能加virtual。
- 虚函数这里的virtual和虚继承中的virtual是同一个关键字，但是它们之间没有任何关系。虚函数这里的virtual是为了实现多态，而虚继承的virtual是为了解决菱形继承的数据冗余和二义性。
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、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:
//基类虚函数
virtual void BuyTicket()
{
cout << "普通-全价" << endl;
}
};
class Student : public Person
{
public:
//派生类虚函数重写父类虚函数
virtual void BuyTicket()
{
cout << "学生-半价" << endl;
}
};
class Soldier : public Person
{
public:
//派生类虚函数重写父类虚函数
virtual void BuyTicket()
{
cout << "军人-优先买票" << endl;
}
};
我们就可以通过父类Person的指针或者引用调用虚函数BuyTicket，此时不同类型的对象，调用的就是不同的函数，产生的也是不同的结果，进而实现了函数调用的多种形态。
void Func(Person& p)
{
p.BuyTicket();
}
void Func(Person* p)
{
p->BuyTicket();
}
int main()
{
Person p;
Student st;
Soldier sd;
Func(p);//普通-全价
Func(st);//学生-半价
Func(sd);//军人-优先买票
Func(&p);//普通-全价
Func(&st);//学生-半价
Func(&sd);//军人-优先买票
return 0;
}
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。
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)
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。
//基类
class A
{};
//派生类
class B : public A
{};
//基类
class Person
{
public:
//返回基类A的指针
virtual A* f()
{
cout << "A* Person::f()" << endl;
return new A;
}
};
//派生类
class Student : public Person
{
public:
//返回派生类B的指针
virtual B* f()
{
cout << "B* Student::f()" << endl;
return new B;
}
};
int main()
{
Person p;
Student st;
//基类指针指向基类对象
Person* ptr1 = &p;
//基类指针指向派生类对象
Person* ptr2 = &st;
//基类指针ptr1调用父类虚函数
ptr1->f();//A* Person::f()
//基类指针ptr2调用子类虚函数
ptr2->f();//B* Student::f()
return 0;
}
- 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。
#include如果此时基类与派生类的析构函数不构成重写的话，就不会构成多态，我们使用delete调用析构函数都是指向基类的那一片空间，只会调用基类析构函数，就会发生内存泄露的问题。所以此时基类与派生类必须是多态的关系，才会实现delete ptr1调用基类的析构函数，delete ptr2调用派生类析构函数。
C++11 override 和 final
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
class Car
{
public:
//基类虚函数被final修饰，表示该虚函数不能被重写
virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
//不能被重写，会报错
virtual void Drive()
{
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
- 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:
//void Drive()//不构成虚函数，override检查不通过
virtual void Drive() //构成虚函数，override检查不通过
{}
};
class Benz :public Car {
public:
virtual void Drive() override
{
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
抽象类
概念
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:
//构成纯虚函数
virtual void Drive() = 0;
};
class Benz :public Car
{
public:
//重写虚函数
virtual void Drive()
{
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
class BMW :public Car
{
public:
//重写虚函数
virtual void Drive()
{
cout << "BMW-操控" << endl;
}
};
void Test()
{
//Car c;//纯虚函数无法实例化
//基类重写虚函数，可以实例化
Benz b;
BMW c;
//不同对象指针指向基类，完成不同操作
Car* p1 = new Benz;
Car* p2 = new BMW;
p1->Drive();//Benz-舒适
p2->Drive();//BMW-操控
}
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
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
int main()
{
Base a;
cout << sizeof(a) << endl;//8
return 0;
}
我们会发现，上面程序中a的大小未8个字节，那么是为什么呢？
我们在VS下调试会发现，a中除了一个_b 对象之外，还存在__vfptr放在对象的前面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。
那么如果我们有一个派生类去继承基类，并且发生重写，又会怎么样呢？
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;
cout << sizeof(d) << endl;//12
return 0;
}
我们会发现：
- 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。
- 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。
- 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：**虚表中存储的并不是虚函数，而是虚函数指针，虚函数指针是在构造函数初始化列表阶段生成的，而虚函数与普通函数一样，时存放在代码区的。
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;
}
对于上述程序，p是指向mike对象时，调用的是基类的BuyTicket() ，p是指向Johnson对象时，调用的是派生类的BuyTicket()，那么这是为什么呢？
调试程序我们可以发现，Mike和Johnson各自存在一个虚表指针指向自己的虚表，p是指向Mike对象时，p->BuyTicket在Mike的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket，p是指向Johnson对象时，p->BuyTicket在Johson的虚表中找到虚函数是Student::BuyTicket，这就是不同对象去完成同一行为时，展现出不同的形态。
如果我们此时并不使用指针和引用传参，会怎么样？
void Func(Person p)
{
p.BuyTicket();
}
int main()
{
Person Mike;
Func(Mike);
Student Johnson;
Func(Johnson);
return 0;
}
使用基类对象时，切片得到部分成员变量后，会调用基类的拷贝构造函数对那部分成员变量进行拷贝构造，而拷贝构造出来的基类对象p1和p2当中的虚表指针指向的都是基类对象的虚表。尽管此时派生类中存在自己的虚表，也完成了重写，但是并没有虚函数指针指向它，因为同类型的对象共享一张虚表，他们的虚表指针指向的虚表是一样的，所以，这也就是构成多态需要完成虚函数的重写并且必须使用父类的指针或者引用去调用虚函数的原因。
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。
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;
}
};
int main()
{
Person p1;
p1.BuyTicket();
Student s;
Person& p2 = s;
p2.BuyTicket();
return 0;
}
调用上面代码汇编代码可以发现，不构成多态我们是直接调用函数，构成多态我们需要找到虚函数表中对应需要调用的虚函数，然后进行调用：
单继承和多继承关系的虚函数表
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;
};
int main()
{
Base b;
Derive d;
return 0;
}
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，也可以认为是他的一个小bug，我们调用内存窗口就会发现，其实func3和func4是存在的：
我们可以使用以下代码，打印上述基类和派生类对象的虚表内容，在打印过程中可以顺便用虚函数地址调用对应的虚函数，从而打印出虚函数的函数名，这样可以进一步确定虚表当中存储的是哪一个函数的地址。
typedef void(*VFPTR)();//函数指针重命名
void PrintVFT(VFPTR* ptr)
{
printf("虚表地址->%p\n", ptr);
for (int i = 0; ptr[i] != nullptr; i++)
{
printf("ptr[%d]:%p->", i, ptr[i]);//打印虚表中虚函数地址
ptr[i]();//回调虚函数
}
printf("\n");
}
int main()
{
Base b;
Derive d;
PrintVFT((VFPTR*)((*(int*)&b)));//打印基类虚表地址基内容
PrintVFT((VFPTR*)((*(int*)&d)));//打印派生类虚表地址基内容
return 0;
}
程序运行完成以后我们会发现func3和func4是确确实实存在的。
多继承中的虚函数表
#include 
在多继承关系当中，派生类的虚表生成过程如下：
- 分别继承各个基类的虚表内容到派生类的各个虚表当中。
- 对派生类重写了的虚函数地址进行覆盖(派生类中的各个虚表中存有该被重写虚函数地址的都需要进行覆盖)，比如func1。
- 在派生类第一个继承基类部分的虚表当中新增派生类当中新的虚函数地址，比如func3。
我们调用内存窗口就可以看见第一个继承基类部分的虚表当中是存在func3的地址的：
我们调用打印函数：
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 :%p->", i, vTable[i]);
VFPTR f = vTable[i];
f();
}
cout << endl;
}
int main()
{
Base1 a;
Base2 b;
Derive d;
VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
PrintVTable(vTableb1);
VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1)));
PrintVTable(vTableb2);
return 0;
}
多态常见问题
- 下面哪种面向对象的方法可以让你变得富有(A)
A: 继承 B: 封装 C: 多态 D: 抽象 - (D)是面向对象程序设计语言中的一种机制。这种机制实现了方法的定义与具体的对象无关，
而对方法的调用则可以关联于具体的对象。
A: 继承 B: 模板 C: 对象的自身引用 D: 动态绑定 - 面向对象设计中的继承和组合，下面说法错误的是？（C）
A：继承允许我们覆盖重写父类的实现细节，父类的实现对于子类是可见的，是一种静态复
用，也称为白盒复用
B：组合的对象不需要关心各自的实现细节，之间的关系是在运行时候才确定的，是一种动
态复用，也称为黑盒复用
C：优先使用继承，而不是组合，是面向对象设计的第二原则
D：继承可以使子类能自动继承父类的接口，但在设计模式中认为这是一种破坏了父类的封
装性的表现 - 以下关于纯虚函数的说法,正确的是(A)
A：声明纯虚函数的类不能实例化对象 B：声明纯虚函数的类是虚基类
C：子类必须实现基类的纯虚函数 D：纯虚函数必须是空函数 - 关于虚函数的描述正确的是(B)
A：派生类的虚函数与基类的虚函数具有不同的参数个数和类型 B：内联函数不能是虚函数
C：派生类必须重新定义基类的虚函数 D：虚函数可以是一个static型的函数 - 关于虚表说法正确的是（D）
A：一个类只能有一张虚表
B：基类中有虚函数，如果子类中没有重写基类的虚函数，此时子类与基类共用同一张虚表
C：虚表是在运行期间动态生成的
D：一个类的不同对象共享该类的虚表 - 假设A类中有虚函数，B继承自A，B重写A中的虚函数，也没有定义任何虚函数，则（D）
A：A类对象的前4个字节存储虚表地址，B类对象前4个字节不是虚表地址
B：A类对象和B类对象前4个字节存储的都是虚基表的地址
C：A类对象和B类对象前4个字节存储的虚表地址相同
D：A类和B类虚表中虚函数个数相同，但A类和B类使用的不是同一张虚表 - 下面程序输出结果是什么? （A）
#include- 多继承中指针偏移问题？下面说法正确的是©
class Base1 { public: int _b1; };
class Base2 { public: int _b2; };
class Derive : public Base1, public Base2 { public: int _d; };
int main(){
Derive d;
Base1* p1 = &d;
Base2* p2 = &d;
Derive* p3 = &d;
return 0;
}
- 以下程序输出结果是什么?（B）
class A
{
public:
virtual void func(int val = 1){ std::cout<<"A->"<< val <<std::endl;}
virtual void test(){ func();}
};
class B : public A
{
public:
void func(int val=0){ std::cout<<"B->"<< val <<std::endl; }
};
int main(int argc ,char* argv[])
{
B*p = new B;
p->test();
return 0;
}
问答题
- 什么是多态？
多态是指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。多态又分为静态的多态和动态的多态。
- 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？
重载是指两个函数在同一作用域，函数名相同，参数不同（数量，类型，顺序不同）构成重载，注意返回类型不同不构成重载；
重写是指两个函数分别在基类和派生类作用域，函数名，参数，返回值类型相同（协变除外），并且这两个函数是虚函数；
重定义是指两个函数分别在基类和派生类作用域，函数名相同，但是这两个函数并不构成重写，就是重定义。
- 多态的实现原理？
构成多态的基类和派生类对象中都存在一个虚表，并且有一个虚表指针指向它，这个虚表中存储的是对应的虚函数地址，当基类对象指针指向基类对象时，就会通过虚表指针就会在基类虚表中寻找对应的虚函数地址，去调用它；当基类对象指针指向派生类对象时，就会通过虚表指针在派生类虚表中寻找对应的虚函数地址，再去调用它。
- inline函数可以是虚函数吗？
inline函数是没有地址的，如果inline函数作为虚函数，他就会失去他原本的作用，不再具有内联的属性了，因为为我们需要将地址放入虚表中区。
- 静态成员可以是虚函数吗？
不可以，因为静态函数不存在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？
不可以，因为虚函数表指针，因为虚函数表指针是在构造函数初始化列表以后才初始化的
- 析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？
可以，建议把基类的析构函数定义为虚函数，因为一般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，如果我们此时分new一个基类跟派生类对象，需要对他们进行delete时，若果不构成虚函数，就无法分别对基类和派生类的内容进行delete，只会调用基类的析构函数。
- 对象访问普通函数快还是虚函数更快？
如果是普通对象，一样快，直接就进行调用，如果是指针对象或者是引用对象，就是普通函数快，因为我们需要区虚函数表中查找虚函数地址
- 虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？
虚表是在编译阶段生成的，一般存放在代码区
- C++菱形继承的问题？虚继承的原理？
菱形继承会出现数据冗余和二义性的问题，虚继承原理就是若要访问虚基类成员就通过虚基表获取到偏移量，就解决了数据冗余和二义性的问题。
- 什么是抽象类？抽象类的作用？
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。抽象类强制了重写虚函数，因为如果不重写，派生类就无法进行实例化。