C++多态
C++多态
- 1. 多态的概念
- 1.1 多态的概念
- 2. 多态的定义及实现
-
- 2.1 构成多态的条件
- 2.2虚函数
- 2.3虚函数重写（覆盖）
-
- 2.3.1虚函数重写的两个例外
- 2.4特殊语法
- 2.5重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
- 2.6 C++11 override 和 final
- 3. 抽象类
-
- 3.1 概念
- 3.2 接口继承和实现继承
- 4. 多态的原理
-
- 4.1虚函数表
- 4.2多态的原理
- 4.3 动态绑定与静态绑定
- 5. 多继承关系中的虚函数表
-
- 5.1多继承中的虚函数表
- 5.2菱形虚拟继承
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1. 多态的概念
1.1 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。 - 再举个栗子： 最近为了争夺在线支付市场，某宝年底经常会做诱人的扫红包-支付-给奖励金的
活动。那么大家想想为什么有人扫的红包又大又新鲜8块、10块…，而有人扫的红包都是1毛，5
毛…。其实这背后也是一个多态行为。某宝首先会分析你的账户数据，比如你是新用户、比如
你没有经常使用某宝支付等等，那么你需要被鼓励使用某宝，那么就你扫码金额 =
random()%99；比如你经常使用某宝支付或者某宝账户中常年没钱，那么就不需要太鼓励你
去使用某宝，那么就你扫码金额 = random()%1；总结一下：同样是扫码动作，不同的用户扫
得到的不一样的红包，这也是一种多态行为。ps：某宝红包问题纯属瞎编，大家仅供娱乐。
2. 多态的定义及实现
2.1 构成多态的条件
- 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
class Person
{
public:
virtual void buy_tickey()
{
cout << "买票没优惠" << endl;
}
};
class Student : public Person
{
public:
virtual void buy_tickey()
{
cout << "买票半价" << endl;
}
};
void func(Person& p)
{
p.buy_tickey();
}
int main()
{
Person p;
Student s;
func(p);
func(s);
return 0;
}
2.2虚函数
虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。
virtual void buy_tickey()//最前面加上virtual即可
{
cout << "买票没优惠" << endl;
}
2.3虚函数重写（覆盖）
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。
2.3.1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。
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;}
};
- 析构函数构成的重写(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。
这个是我们的正常调用析构函数的流程。
那我们看一下这个呢：
class Person {
public:
~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
int main()
{
Person* p1 = new Person;//创建new出一个Person类，让p1指向这个类
Person* p2 = new Student;//创建new出一个Student类，让p1指向这个类
delete p1;
delete p2;
return 0;
}
- 这个时候无论是哪一个，都只是调用了Person类中的析构，也就是说delete p2同样也是调用的Person类中的析构函数。
这好像与我们预期的不一样，也就是说p2并没有用到多态的概念。 - 多态调用：调用指针或者引用指向的对象
- 普通调用：根据指针或者对象的类型
那如果我们加上virtual呢？
- 这个时候却是和预期的一样的。但是我们上面说过了多态的构成条件，这里显然是不符合的，因为我们可以看到两个析构的函数名并不相同。那是不是说明多态的构成条件不一定要满足那三个条件呢?其实不然，这里虽然我们看到的两个析构函数的函数名不相同，其实是编译器在底层帮我们已经处理好了，就是
析构函数被统一处理成destructor，这样两个析构函数就构成了重写。
2.4特殊语法
- 虚函数构成重写的时候，父类虚函数加了virtual后，子类不加virtual也构成重写。
- 但是建议还是都加上，养成好的习惯。
2.5重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
2.6 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/修饰类表示该类不能被继承
class A
{
public:
virtual void func() final
{
cout << "虚函数不能被重写" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
virtual void funsc()
{
cout << "重写了父类的虚函数" << endl;
}
};
- 如果想让一个类不能被继承，有两个方法
（1）把构造函数私有化
（2）就是使用final
- 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 A
{
public:
virtual void func()
{
cout << "虚函数不能被重写" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
virtual void funsc() override
{
cout << "重写了父类的虚函数" << endl;
}
};
3. 抽象类
3.1 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" << endl;
}
};
class BMW :public Car
{
public:
virtual void Drive()
{
cout << "BMW" << endl;
}
};
int main()
{
Car* pBenz = new Benz;
pBenz->Drive();
Car* pBMW = new BMW;
pBMW->Drive();
return 0;
}
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
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
int main()
{
Base b;
cout << sizeof(b) << endl;
return 0;
}
-
这段代码的大小是多少呢？相信在之前的学习中我我们也可以很快的计算出自定义类型的大小，存在内存对齐的原因刚开始接触虚函数肯定是按照我们往常学习的方法计算出大小，所以这里很多人会认为是4个字节，只有成员变量_b一个。但是结果真的是这样吗？
我们在看一下监视窗口。
-
结果却出乎我们的意料，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)，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。
-
我们看一下派生类的情况。
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
virtual void Func2()
{
cout << "Func2()" << endl;
}
void Func3()
{
cout << "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(b) << endl;
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。 - 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。 - 这里还有一个童鞋们很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？ 答：虚函数存在
虚表，虚表存在对象中。注意上面的回答的错的。但是很多童鞋都是这样深以为然的。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。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，Linux g++下大家自己去验证？ - 虚表是在编译时生成的，虚表指针是在构造函数初始化列表生成的。
但是这里如果在Derive再加上一个自己的虚函数，这个时候监视窗口里虚表中是看不到虚函数指针的。
这个时候只能从内存窗口才能观察到。
4.2多态的原理
那么多态原理到底是什么？为什么父类对象的指针或者引用指向父类调父类，指向子类调子类。有了上面的现象我们就更能清楚的知道多态的底层原理是什么了。
回到上面的买票场景。
class Person
{
public:
virtual void buy_tickey()
{
cout << "买票没优惠" << endl;
}
};
class Student : public Person
{
public:
virtual void buy_tickey()
{
cout << "买票半价" << endl;
}
};
void func(Person& p)
{
p.buy_tickey();
}
int main()
{
Person p;
Student s;
func(p);
func(s);
return 0;
}
我们再从汇编的角度看一下：
虚表中存放的是虚函数的地址。
满足多态调用时，运行时到指向的对象中找到对应的虚函数。
而对于普通调用则是在编译链接的时候通过生成好的函数地址在符号表中找到该地址，直接call到该函数地址。
所以多态的存储方式就是：
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)，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。
5. 多继承关系中的虚函数表
5.1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;
};
int main()
{
Derive d;
cout << sizeof(d) << endl;
return 0;
}
这段代码的结果是20
所以Derive中应该存放着两张虚表。
强制打印出虚表指针
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;
}
从上面我们可以得出，Derive的虚函数是存放在第一个虚表中的。
5.2菱形虚拟继承
class A
{
public:
virtual void func1()
{}
public:
int _a;
};
class B : public A
{
public:
int _b;
};
class C : public A
{
public:
int _c;
};
class D : public B, public C
{
public:
int _d;
};
int main()
{
D d;
d.B::_a = 1;
d.C::_a = 2;
d._b = 3;
d._c = 4;
d._d = 5;
cout << sizeof(d) << endl;
return 0;
}
这个结果是28
换成菱形虚拟继承
class B : virtual public A
{
public:
int _b;
};
class C : virtual public A
{
public:
int _c;
};
这个时候如果在B和C中重写A就会报错了，因为这个时候B和C共享一个A，如果重写的话就不知道要覆盖哪一个，就会出现二义性从而报错。解决法案就是在D中重写，或者B，C不重写。
class A
{
public:
virtual void func1()
{}
public:
int _a;
};
class B : virtual public A
{
public:
virtual void func1()
{}
public:
int _b;
};
class C : virtual public A
{
public:
virtual void func1()
{}
public:
int _c;
};
class D : public B, public C
{
public:
virtual void func1()
{}
public:
int _d;
};
int main()
{
D d;
d.B::_a = 1;
d.C::_a = 2;
d._b = 3;
d._c = 4;
d._d = 5;
cout << sizeof(d) << endl;
return 0;
}
如果B，C都有自己的虚函数呢？
class A
{
public:
virtual void func1()
{}
public:
int _a;
};
class B : virtual public A
{
public:
virtual void func1()
{}
virtual void func2()
{}
public:
int _b;
};
class C : virtual public A
{
public:
virtual void func1()
{}
virtual void func3()
{}
public:
int _c;
};
class D : public B, public C
{
public:
virtual void func1()
{}
int _d;
};
int main()
{
D d;
d.B::_a = 1;
d.C::_a = 2;
d._b = 3;
d._c = 4;
d._d = 5;
cout << sizeof(d) << endl;
return 0;
}
