使用C++多态特性时常遇的问题

本文通过单反相机类的实例,详细解析了C++中多态特性的使用,强调了基类析构函数设置为虚函数的重要性,避免因对象切片导致的内存泄漏问题。

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在工作中Review Code的时候,发现有些开发人员,对C++的多态性认识的不是很全面,往往在使用过程中犯错。在这里,简单的描述一下,希望对一些朋友有帮助。

 

故事描述:传统的胶片单反相机简称为SLR,其主要部分是:反光板(Reflector)、快门(Shutter)、内置测光表(Exposure Meter)。现在流行的数码单反相机简称DSLR,其主要部件除了上诉三个主要部件外,还需要一个感光元器件CMOS(或者是CCD)。

下面代码是关于单反相机的一组类结构。

class Reflector

{

public:

       Reflector()

       {

              printf("%s/n", "Create an reflector");

       }

 

       ~Reflector()

       {

              printf("%s/n", "Destroy an reflector");

       }

};

 

class Shutter

{

public:

       Shutter()

       {

              printf("%s/n", "Create a Shutter");

       }

 

       ~Shutter()

       {

              printf("%s/n", "Destroy a Shutter");

       }

};

 

class ExposureMeter

{

public:

       ExposureMeter()

       {

              printf("%s/n", "Create an Exposure Meter");

       }

 

       ~ExposureMeter()

       {

              printf("%s/n", "Destroy an Exposure Meter");

       }

};

 

class CMOS

{

public:

       CMOS()

       {

              printf("%s/n", "Create a CMOS");

       }

      

       ~CMOS()

       {

              printf("%s/n", "Destroy a CMOS");

       }

};

 

class SLR

{

public:

       SLR()

       {

              m_pShuter = new Shutter();

        m_pRef = new Reflector();

        m_pEMeter = new ExposureMeter();

       }

 

       ~SLR()

       {

              delete m_pShuter;

        delete m_pRef;

        delete m_pEMeter;

       }

protected:

       Shutter   *m_pShuter;

    Reflector *m_pRef;

       ExposureMeter *m_pEMeter;

};

 

class DSLR : public SLR

{

public:

       DSLR()

       {

              m_pCMOS = new CMOS();

       }

 

       ~DSLR()

       {

              delete m_pCMOS;

       }

protected:

       CMOS *m_pCMOS;

};

 

下面做一个很简单的例子

void main()

{

    DSLR *pDslr = new DSLR();

       printf("/n/n");

       delete pDslr;

}

输出结果:

Create a Shutter

Create an reflector

Create an Exposure Meter

Create a CMOS

 

Destroy a CMOS

Destroy a Shutter

Destroy an reflector

Destroy an Exposure Meter

 

从这个简单的例子中我们可以看出,在实例化子类的时,首选需要调用基类的构造函数,然后才是子类的构造函数;销毁时,首先调用子类的析构函数,然后才是基类的析构函数。虽然,这是一个很简单的基础知识,但是却很重要。

 

我们修改一下main函数中的内容。

void main()

{

    DSLR dslr;

       printf("/n/n");

       SLR *pSlr = NULL;

       pSlr = &dslr;

  

       int SizeSLR = sizeof(*pSlr);

       int SizeDSLR = sizeof(dslr);

 

       printf("%s%d/n", "SLR Size:", SizeSLR);

       printf("%s%d/n", "DSLR Size:", SizeDSLR);

}

输出结果:

Create a Shutter

Create an reflector

Create an Exposure Meter

Create a CMOS

 

SLR Size:12

DSLR Size:16

 

从上述结果看,当pSlr = &dslr;该行执行结束后,pSlr指向的内存地址虽然没有变,但是包含的内容被截断,缺少了CMOS对象。这个现象,需要引起重视。

 

 

再次修改main函数内容。

void main()

{

    SLR *pSlr = new DSLR();

       printf("/n/n");

       delete pSlr;

}

输出结果:

Create a Shutter

Create an reflector

Create an Exposure Meter

Create a CMOS

 

Destroy a Shutter

Destroy an reflector

Destroy an Exposure Meter

 

从输出结果,可以看出来CMOS指针没有被释放,产生了内存泄漏。这是什么原因呢?

根本原因,是由于基类SRL的析构函数不是虚函数,所以在销毁SLR类指针的时候直接调用SLR的析构函数,导致了内存泄露。

现在我们修改SLR析构函数为虚函数,然后重新执行这段代码。

 

输出结果:

Create a Shutter

Create an reflector

Create an Exposure Meter

Create a CMOS

 

Destroy a CMOS

Destroy a Shutter

Destroy an reflector

Destroy an Exposure Meter

 

这次完全释放了所占用的资源,达到了我们的目的。这个问题是经常发生的错误,也是很严重的问题,需要我们在实际开发中提高警惕。

 

### C++ 中的多态特性及其使用方法 #### 静态多态(编译时多态) 静态多态主要通过函数重载和运算符重载实现。这种类型的多态在编译阶段就已经确定好了具体调用哪个版本的方法或操作符。 例如,在 `std::cout` 的使用过程中,当向其传递不同类型的数据时,实际上是调用了不同版本的操作符重载函数[^1]: ```cpp #include <iostream> int main() { int i = 1; double d = 2.2; std::cout << i << std::endl; // 调用的是针对整型的<<重载版 std::cout << d << std::endl; // 调用的是针对浮点数的<<重载版 return 0; } ``` 以上代码展示了如何利用静态多态处理不同数据类型的情况。 #### 动态多态(运行时多态) 动态多态则依赖于虚函数机制,它允许子类重新定义父类中的成员函数行为,并且可以通过基类指针或者引用访问派生类的具体实现方式。这使得程序能够在执行期间决定实际要调用哪一个覆盖后的函数版本[^3]。 下面是一个关于售票系统的例子说明了这一点: ```cpp #include <iostream> using namespace std; class Person { public: virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; } }; class Student : public Person { public: virtual void BuyTicket() override { cout << "买票-半价" << endl; } }; void Func(Person& p) { p.BuyTicket(); } int main() { Person ps; Student st; Func(ps); // 输出: 买票-全价 Func(st); // 输出: 买票-半价 return 0; } ``` 在这个案例里, 函数 `Func()` 接收了一个 `Person` 类型的对象作为参数并调用了它的 `BuyTicket()` 方法。然而由于传入的实际对象分别是 `Person` 和 `Student`, 所以最终打印出来的结果会有所不同——这就是典型的动态绑定效果. 另外需要注意的一点是虚拟表(vtable)的存在对于支持此类功能至关重要。即使某个类只含有一个纯虚函数也会导致该实例占用额外的空间存储指向vptr(虚拟表指针)的信息。如下所示的一个简单测试可以验证这点: ```cpp #include <iostream> class Base { public: virtual void Func1() {} private: char _c; }; int main(){ cout << sizeof(Base) << endl; // 结果通常是8字节而非原来的1字节 return 0; } ``` 这里的结果表明即使是单继承结构下也至少需要两个内存单元分别保存原始数据成员以及用于管理多态性的元信息[^2]。
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