【C++】多态

原创已于 2024-05-10 19:23:24 修改 · 1.1k 阅读

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于 2024-05-07 22:42:10 首次发布

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多态我们会按照先语法后原理进行讲解。

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。

多态的定义及实现：

在这里插入图片描述
开始之前我们总得见见多态吧~
可以清楚的看到不同的对象调用同一个函数发生了不同的行为~

那我们正式开始。

多态的构成条件：

如下是实现多态的必要条件。

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

但是也有例外，我们等等在谈。
在这里插入图片描述

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:
	virtual void BuyTicket() 
	{ 
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
};

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。

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;
	}
};

虚函数重写的三个例外：

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。（了解）

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; }
};

析构函数的重写（基类与派生类析构函数的名字不同）

对于这个我们先来看一下一个例子。
在这里插入图片描述
这个是可以进行析构的。
但是下图这样就不能正常的析构。

我们delete就相当于下图这样的在这里插入图片描述
因此当我们的pp进行delete时会先调用析构，而我们是用Person*的类型调用，因此只会调用当前类型的析构，那我们要如何解决？

使用多态，但是父子类的函数名都不同啊，其实不然，编译器做了处理，对于析构函数的名字都统一处理为destructor，所以当我们的父类与子类都加上virtual时即可构成多态预防了内存泄漏。
在这里插入图片描述

子类可以不加virtual

这也就是我们最后一个例外了，以上所有的情况子类不加virtual都是可以的。
对于此我们可以这样理解：我们继承时继承的是接口，也就是函数声明形式的接口，我们的重写就是重写实现，因此可以不加virtual，但是该种写法不是很规范，不建议这样使用
在这里插入图片描述

C++11 override与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

final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写
在这里插入图片描述
虽然我们认为virtual就是为重写而生的，重写就是为多态而生的，既然用了virtual那么为何会使用final？
但是在某些方面也是很有意义的。

override：

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; }
};

重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

注意重载的第二条写错了，函数名相同，参数不同。

另外对于重写与重定义，若是函数名相同的话，那么这个函数不是重写就是重定义，像一个子集父集的感觉。

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:
	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();
}

但是不得不承认抽象类与override有些功能的重叠，但是他们有各自不同的用途

抽象类是一种设计工具，用于定义接口和强制子类遵循特定的结构。
override关键字是一种实现细节，用于告知编译器子类正在重写基类的方法，从而支持多态性。
抽象类可以包含抽象方法和非抽象方法，而override专门用于实现抽象方法或重写虚方法。
抽象类关注的是类的结构和设计，而override关注的是方法的具体实现和行为变化。

接口继承与实现继承：

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：

终于终于来到了好玩的地方，枯燥的概念已经过去！
我们先来看如下的代码，sizeof是多少呢？

class Base
{
public:
	virtual void func()
	{}
private:
	int _i;
	char _ch;
};

int main()
{
	Base b;
	cout << sizeof(b) << endl;

	return 0;
}

答案是12
是因为除了内存对齐的因素外，还有一个虚表指针。
在这里插入图片描述
这个虚表指针也就是__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。那么派生类中这个表放了些什么呢？我们接着往下分析

我们为了便于分析再写一段代码：

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;
}

在这里插入图片描述

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，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（vs下）。
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

针对以上几点我在补充以及强调一下注意的点：

关于虚表与虚表指针
虚函数谁先声明谁在前边。

改变声明顺序后，虚表的的顺序也跟着改变了

从这里我们也能发现一个规律，C++中的很多初始化顺序都是取决于声明顺序，比如初始化列表的初始化顺序，
但是这并不意味着所有的都是这样的，比如在继承关系中的析构函数先调子类，static成员变量比普通对象先初始化。
具体的问题我们还是要具体分析。
为什么我们不把虚函数指针直接放到对象中呢？
其一：如果有多个虚函数那么一个对象的大小将会增大很多
其二：同类型的虚表是一样的，注意这里的同类型指的是实际类型，并不算引用或者指针指向的对象。这样可以避免大量的冗余。
为什么普通的对象不能使用多态？
本质是因为普通对象不会拷贝虚表过去！

多态的原理：

上面分析了这个半天了那么多态的原理到底是什么？
还记得这里Func函数传Person调用的Person::BuyTicket，传Student调用的是Student::BuyTicket
在这里插入图片描述

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->BuyTicketjohson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。
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。

可以通过汇编清楚的看到多态调用是在程序运行时在虚表中找虚函数进行调用

而非多态是直接调用

同时通过这个汇编调用我们也发现了虚函数表是在编译生成的！

那么虚表指针是在哪里初始化呢？
是在初始化列表！
可以自己写程序验证一下哦~

虚表存在哪里呢？
答案是存在代码段（也就是语言层的常量区）。

在这里插入图片描述

静态绑定与动态绑定：

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。

单继承和多继承关系的虚函数表：

单继承：

在这里插入图片描述
这段代码可以
我们先来看看单继承。
我们说虚函数都会在虚表内，那为何我们的Base的vtf为啥没有func3与4的的虚函数地址？因为vs做过封装，所以我们可以内存窗口。

确实发现了有疑似4个虚函数指针，我们可以尝试打印一下虚表来验证一下！

在这里插入图片描述
为什么可以这样打我们可以按照图中理解一下

多继承：

我们先来看多继承的虚表~

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]; ++i)
	{
		printf("第%d个虚函数地址 :0X%p,->", i, vTable[i]);
		vTable[i]();
	}
	cout << endl;
}

我们先来探究一下子类的虚函数会继承在那个虚表中呢？
当然还是通过打印虚表

int main()
{
	Derive d;
	VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
	PrintVTable(vTableb1);
	VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1)));
	PrintVTable(vTableb2);
	return 0;
}