C++之类继承和多态(虚函数、构造函数,析构函数)

本文详细介绍了C++中的虚函数和多态性,解释了虚函数如何实现动态绑定,以及虚函数在基类和派生类中的作用。同时,讨论了虚析构函数的重要性,特别是在涉及到动态内存分配时,防止内存泄漏的关键角色。文章还提到了纯虚函数和抽象类的概念,并指出在基类析构函数前添加virtual关键字以确保正确析构派生类对象的必要性。

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1.虚函数

C++中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态,简而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例,然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”,这是一种泛型技术。所谓泛型技术,说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比如:模板技术,RTTI技术,虚函数技术,要么是试图做到在编译时决议,要么试图做到运行时决议。

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Flower
{
public:
	virtual void display()//基类的虚函数,形成动态绑定,永远不会运行“动物”,Flower类也从1个字节变成了4个字节(指针)
		//只有在程序运行的时候才知道speak函数具体运行哪个子类的speak函数
	{
		cout << "动物!" << endl;
	}
};

class Rose:public Flower
{
public:	
	void display()//派生类重写了基类的虚函数,覆盖了原来虚函数表中的地址
	{
		cout << "玫瑰" << endl;
	}
};

void fun(Flower &f1)//派生类的对象作为实参,形参可以用基类的引用或者指针来接收,目的在于实现多态性
{//实现了派生类对象向基类类型的转换
	f1.display();//加上virtual之后,这一行就要去看你f1派生对象的类型,去调用相对应的display函数
}

int main() {
	Rose r1;
	fun(r1);
	system("pause");
	return 0;
}

下面通过编译器开发人员命令提示来说明多态的问题,当在基类没有virtual时,这时基类实际上是一个空类,只占1个字节。

 当加上virtual之后,基类变成了4个字节

 多了一个vfptr:virtual function pointer虚函数指针(指针4个字节),指向一个虚函数表vftable。

到了派生类,派生类如果没有重写虚函数,此时占4个字节,为从基类继承而来的vfptr,指向了哪个基类的vftable,这个是完完全全从基类继承过来的吧,如下图:

 所以,当你在调用函数调用display的时候,指向的是Flower::display,但本意是要他输出rose的,所以在派生类重写了虚函数之后,再看:

 这样,再调用的时候,就会调用Rose作用域下的display函数了。

由于基类中的虚函数一般不会被执行,那么就直接

virtual void display() = 0;

此时,这个虚函数被称为纯虚函数,这个Flower类就被称为抽象类

当是抽象类的时候,不能实例化对象,包括堆区和栈区,但可以定义一个类指针,比如:

Flower f1;//报错

new Flower;//报错

当一个抽象类作为派生类的父类时,派生类必须要重写这个纯虚函数,否则这个类也将会被定义为抽象类,不能被实例化

这个目的就是要实现多态,重写虚函数

通过一个父类指针,只想多个子类的对象,加强通用性。

 2.虚析构和纯虚析构

 先放上一段代码,不涉及虚析构和纯虚析构,只是我们要再此基础上添内容。

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;

class Flower
{
public:
	Flower()
	{
		cout << "Flower的构造函数" << endl;
	}
	virtual void display() = 0;
	~Flower()
	{
		cout << "Flower的析构函数" << endl;
	 }
};

class Rose:public Flower
{
public:	
	Rose()
	{
		cout << "Rose的构造函数" << endl;
	}
	void display()
	{
		cout << "玫瑰" << endl;
	}
	~Rose()
	{
		cout << "Rose的析构函数" << endl;
	}
};
void fun()
{
	Rose r1;
	Flower* f1 = &r1;
	f1->display();
}
int main() {
	fun();
	system("pause");
	return 0;
}

运行结果:

比如说,派生类中有在堆区开辟的一段空间,那么按道理说,应该在派生类的析构函数中去释放,这个需要注意。

但还有一种情况,在调用函数中基类的指针或引用绑定的是堆区的派生类数据。如下所示:

 

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;

class Flower
{
public:
	Flower()
	{
		cout << "Flower的构造函数" << endl;
	}
	virtual void display() = 0;
	~Flower()
	{
		cout << "Flower的析构函数" << endl;
	}
};

class Rose :public Flower
{
public:
	Rose(string c)
	{
		color = c;
		cout << "Rose的构造函数" << endl;
	}
	void display()
	{
		cout << "玫瑰" << endl;
	}
	~Rose()
	{
		cout << "Rose的析构函数" << endl;
	}
	string color;
};

void fun()
{
	Flower* f1 = new Rose("blue");//在局部函数定义的f1,利用完就要释放
	f1->display();}

int main() {
	fun();
	system("pause");
	return 0;
}

 如果你f1不释放,这时候,造成程序内存泄露,两个类始终都不会调用析构函数,直到程序结束。

进一步的,我如果注意到了f1要释放,因此在fun函数中加了一句

delete f1;

这时,我们认为至少是调用函数中的f1内存被释放了,但是,问题在于当调用函数结束后,Rose中的析构函数并没有被执行,原因通过父类指针去释放,会导致子类对象可能清理不干净,即一旦子类对象中有在堆区开辟的数据,在析构中去释放,但这种情况下根本不会去走派生类的析构函数,造成内存泄漏。如下图所示,根本没有Rose的析构:

 

问题总结:当基类指针指向或引用堆区开辟的派生类时,删除父类指针并不会调用子类的析构函数

派生类除了自己的析构函数,还要继承基类的析构函数,用父类的指针默认调用的时父类的析构

要想解决,就要将父类的析构函数加上virtual变成虚析构,这样的话,在析构的时候才会先调用子类的析构,再调用父类的析构,完整程序如下:

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Flower
{
public:
	Flower()
	{
		cout << "Flower的构造函数" << endl;
	}
	virtual void display() = 0;
	virtual ~Flower()
	{
		cout << "Flower的析构函数" << endl;
	}
};
class Rose :public Flower
{
public:
	Rose(string c)
	{
		color = c;
		cout << "Rose的构造函数" << endl;
	}
	void display()
	{
		cout << "玫瑰" << endl;
	}
	~Rose()
	{
		cout << "Rose的析构函数" << endl;
	}
	string color;
};
void fun()
{
	Flower* f1 = new Rose("blue");//在局部函数定义的f1,利用完就要释放
	f1->display();
	delete f1;
}
int main() {
	fun();
	system("pause");
	return 0;
}

 纯虚析构其实比较鸡肋,在析构函数的前面加上virtual,形成纯虚析构,这时候这个类也会被定义为抽象类。但要注意的是,纯虚析构虽然是后边等于0,但是结构上一定要有具体的实现,否则编译就会被报错。

 3.构造函数[下篇会专门推送构造函数]

由上述程序可以看到:
派生类构造时,先构造基类部分,然后再构造派生类部分;派生类析构时,先析构派生类部分,然后再析构基类部分。
因此:在基类构造函数执行的时候,派生类的部分是未定义状态;在基类析构函数执行的时候,派生类的部分已经被释放了。
所以在基类的构造函数或析构函数中调用虚函数是不建议的

 

### 虚函数多态性的机制 在 C++ 中,虚函数是实现运行时多态性的关键机制。通过使用 `virtual` 关键字在基类中声明虚函数,并在派生类中重写这些函数,可以在运行时根据对象的实际类型调用相应的函数实现。这种机制允许使用基类指针或引用调用派生类的函数,从而实现多态行为[^1]。 ### 虚函数表(vtable)虚函数指针(vptr) 当类中声明了虚函数时,编译器会自动生成一个虚函数表(vtable)虚函数指针(vptr)。vtable 是一个函数指针数组,其中每个元素指向类中虚函数的实现。每个对象在其内部维护一个 vptr,指向其所属类的 vtable。当调用虚函数时,程序通过 vptr 找到对应的 vtable,然后根据函数在表中的位置调用相应的函数[^4]。 ### 虚函数继承中的表现 在继承关系中,基类的虚函数会被派生类继承,并在派生类的 vtable 中保留其条目。如果派生类重写了该虚函数,则 vtable 中的对应条目将被更新为派生类的函数地址。如果派生类未重写,则继续使用基类的实现。这种机制确保了即使通过基类指针访问派生类对象,也能正确调用其实际类型的函数[^1]。 ### 示例代码:虚函数多态性 以下示例展示了如何使用虚函数实现多态性: ```cpp #include <iostream> class Animal { public: virtual void makeSound() { std::cout << "The Animal makes a sound" << std::endl; } }; class Dog : public Animal { public: void makeSound() override { std::cout << "Dog barks!" << std::endl; } }; class Cat : public Animal { public: void makeSound() override { std::cout << "Cat meows!" << std::endl; } }; int main() { Animal* animal1 = new Dog(); Animal* animal2 = new Cat(); animal1->makeSound(); // 输出: Dog barks! animal2->makeSound(); // 输出: Cat meows! delete animal1; delete animal2; return 0; } ``` ### 使用指南与注意事项 1. **虚函数的开销** 使用虚函数会带来一定的性能开销,因为需要通过 vtable vptr 进行间接调用。对于性能敏感的场景,应谨慎使用虚函数。 2. **避免在构造函数析构函数中调用虚函数** 在构造函数析构函数中调用虚函数可能导致未定义行为,因为此时对象的 vtable 可能尚未完全初始化或已被销毁。 3. **纯虚函数与抽象类** 如果一个类中至少包含一个纯虚函数(`virtual void func() = 0;`),则该类为抽象类,不能实例化。派生类必须实现所有纯虚函数才能被实例化。 4. **虚析构函数的重要性** 如果一个类可能被继承,其析构函数应声明为虚函数,以确保派生类的析构函数在删除基类指针时被正确调用,防止资源泄漏。 5. **虚函数表的内存布局** 虚函数表的布局由编译器决定,通常包括虚函数的入口地址、RTTI 信息(如 `typeid`)虚基类指针偏移量等信息[^4]。 6. **虚继承与虚基类** 在多继承中,虚继承可以避免基类的多次实例化。通过 `virtual` 关键字继承基类,可以确保多个派生类共享同一个基类子对象。 ###
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