C++面经之多态|多态的原理|虚函数

文章目录

目录

一、多态的概念

1.概念

二、多态的定义及实现

1.多态的构成条件

2.虚函数

3.虚函数的重写

虚函数重写的两个例外：

4.c++11中的override和final

5.重载、覆盖（重写）、隐藏（重定义）对比

三、抽象类

1.概念

2.接口继承和实现继承

四、多态的原理

1.虚函数表

2.多态的原理

3.动态绑定与静态绑定

五、单继承和多继承中的虚函数表

1.单继承中的虚函数表

2.多继承中的虚函数表

六、继承和多态常见的面试题

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一、多态的概念

1.概念

完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生不同的状态。

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

二、多态的定义及实现

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对象买全价票，Student对象买半价票。

在继承中构成多态的两个条件：

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

重写：函数名相同，参数类型相同，返回值相同

2.虚函数

虚函数：被virtual修饰的类成员函数称为虚函数

class Person
{
    public:
        virtual void BuyTicker()
        {
        }
};

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，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:
         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 p;
    Student s;
    Fun(p);
    Fun(s);
    return 0;
}

例外：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：

1.协变（基类与派生类虚函数返回值类型不同）必须是父子关系指针或者引用

class Person
{
    public:
        virtual Person* BuyTicket()
        {
            cout<<"all"<

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，看起来违背了重写的原则，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，编译后的析构函数的名称统一处理成destructor

4.c++11中的override和final

1.final：修饰虚函数，表示该虚函数不能被再重写

class Car
{
   public:
        vitual void Dirve() final
    {}
};

class Benz:public car
{
    virtual void Drive()
    {
            cout<<"benz-"<

2.overrider：检查派生类虚函数是否重写了某个虚函数，如果没写，就报错

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）对比

重载：两个函数在同一个作用域，函数名相同，参数不同

重写（覆盖）：两个函数分别在基类和派生类的作用域，函数名/参数/返回值必须相同（协变例外），两个函数必须是虚函数

重定义（隐藏）：两个函数分别在基类和派生类的作用域，函数名相同，两个基类和派生类的同名函数不构成重写就是重定义

三、抽象类

1.概念

在虚函数的后面写上 =0，则这个函数为纯虚函数，包含纯虚函数的类称为抽象类（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了接口继承

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，不要把函数定义为虚函数。

四、多态的原理

// 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;  //4
 char _c = 0;  //1
};


sizeof(Base) //12

除了两个成员，还多了一个_vfptr放在对象前面（有些平台可能会放在对象后面），对象中的这个指针我们称为虚函数表指针（v-virtual f-function).一个含有虚函数的类中都至少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。

1.虚函数表

class Base
{
    public:
     virtual void Func1()
     {
     cout << "Base::Func1()" << endl;
     }
     virtual void Func2()
     {
     cout << "Base::Func2()" << endl;
     }
    
    //普通函数
     void Func3()
     {
     cout << "Base::Func3()" << endl;
     }
     private:
         int _b = 1;
};

class Derive : public Base
{
public:
     //实现了虚函数的重写
     virtual void Func1()
     {
        Person::BuyTicket，传Student调用的是Student::BuyTicket
        cout << "Derive::Func1()" << endl;
     }
private:
     int _d = 2;
};



int main()
{
     Base b;
     Derive d;
     return 0;
}

• 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自己的成员
• 基类对象b和派生类对象d虚表不同，Fun1完成的重写，所以d中的虚表存放重写的Drive::Func1,所以虚函数的重写也叫做覆盖。覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重写是语法的称呼，覆盖是远离层的叫法
• Func2继承下来的是虚函数，所以放进了虚表，Fun3也继承了，但是不是虚函数，所以不放进虚表
• 虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般这个数组最后放了一个nullptr
• 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的虚表中 b.如果派生类重写了基类中的某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数 c.派生类自己新增的虚函数按其在派生类中的声明次序依次增加到派生类虚表的最后
• 虚函数在虚表中，虚表在对象中（❌） 应该是：虚表中存放的是虚函数指针，不是虚函数。虚函数存放在代码段中，它的指针存放到了虚表中。对象中存放的不是虚表，而是虚表指针。虚表也存放在代码段中。
• 
• 切片的时候，只拷贝对象，不拷贝虚表

  int main()
  {
      Student johnson;
      Func(johnson);
  
      Person mike = johnson;
  
      return 0;
  }

  

2.多态的原理

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 。

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轻微，也称为静态多态，比如函数重载
• 动态绑定又称为后期绑定，是在程序运行期间，根据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

五、单继承和多继承中的虚函数表

1.单继承中的虚函数表

class Base
 { 
public :
 virtual void func1() { cout<<"Base::func1" <

2.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;
}

Derive继承了两个类，所以有两张虚表。自己实现了一个func3,从内存中看到，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。

六、继承和多态常见的面试题

1. 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。
2.  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。
3. 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。
4.  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
5. 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。
6. 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。
7. 什么是抽象类？抽象类的作用？答：类中有纯虚函数的称为抽象类（在虚函数后面加 =0）。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。
8. 下面哪种面向对象的方法可以让你变得富有( A)
9. A: 继承 B: 封装 C: 多态 D: 抽象
10. ( 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。
11. A: 继承 B: 模板 C: 对象的自身引用 D: 动态绑定
12.  面向对象设计中的继承和组合，下面说法错误的是？（C）
13. 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
14. 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
15. C：优先使用继承，而不是组合，是面向对象设计的第二原则
16. 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
17. 以下关于纯虚函数的说法,正确的是( A)
18. 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
19. 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
20. 关于虚函数的描述正确的是( B)
21. 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
22. 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
23. 6. 关于虚表说法正确的是（B ）
24. A：一个类只能有一张虚表
25. 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
26. C：虚表是在运行期间动态生成的
27. D：一个类的不同对象共享该类的虚表
28.  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）
29. 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
30. 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
31. C：A类对象和B类对象前4个字节存储的虚表地址相同
32. 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