目录
多态概念
多态定义
多态的触发机制
虚函数
虚函数表
虚析构函
虚析构函数声明
虚析构函数的作用
纯虚函数
纯虚函数的声明
纯虚函数的作用
抽象类
多态原理
虚函数表 & 虚函数指针
继承机制下的虚函数表
动态绑定
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多态概念
- 狗狗发出的声音为 -> 旺旺
- 猫猫发出的声音为 -> 喵喵
- 猫猫狗狗我们均可以理解为是动物类，但是其具体对象做同一功能有着不同的表现
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多态定义
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多态的触发机制
- 在C++中，多态通过基类的指针或引用来触发。
- 当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会在运行时确定实际对象的类型，并调用相应的函数。
- 这种动态绑定的决策是通过虚函数表（vtable）来实现的。
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虚函数
- 虚函数是在基类中声明的带有virtual关键字的成员函数。
- 虚函数通过动态绑定来实现多态，它可以在派生类中被重写。
- 当通过基类的指针或引用调用虚函数时，实际调用的是指向或引用的对象的类型的版本。
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代码示例
#include <iostream> class Animal { public: virtual void MakeSound() { std::cout << "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* animalPtr; Dog dog; Cat cat; animalPtr = &dog; animalPtr->MakeSound(); // 输出: Dog barks. animalPtr = &cat; animalPtr->MakeSound(); // 输出: Cat meows. return 0; }
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虚函数表
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虚函数表是用于实现多态的关键机制之一。
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每个包含虚函数的类都有一个虚函数表，其中存储了虚函数的地址。
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每个对象都有一个指向其类的虚函数表的指针（通常称为虚函数指针或vptr）。
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当调用虚函数时，程序会根据对象的虚函数指针找到相应的虚函数表，并使用表中的地址调用正确的函数。
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虚析构函
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如果一个基类的析构函数是虚函数，那么派生类的析构函数也会自动成为虚函数。
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虚析构函数声明
- 虚析构函数是在基类中声明的带有virtual关键字的析构函数。
- virtual ~ClassName();
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虚析构函数的作用
- 当通过基类指针删除派生类对象时，如果基类的析构函数是虚函数，则会根据实际对象的类型调用相应的析构函数。
- 这样可以确保正确释放派生类对象所占用的资源，避免内存泄漏。
- 虚析构函数只需要在基类中声明，派生类的析构函数会自动成为虚函数。
- 虚析构函数应该是公有的（public），以便在派生类中可以正确访问和重写。
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代码示例
- 假设我们有一个图形库，其中包含多个图形类，如矩形（Rectangle）、圆形（Circle）。我们希望能够存储这些图形对象，并能够对它们执行各种操作，比如计算总面积、打印每个图形的属性等。
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#include <iostream> #include <vector> using namespace std; class Shape { public: virtual double getArea() const = 0; virtual void printInfo() const = 0; virtual ~Shape() {} }; class Rectangle : public Shape { private: double length; double width; public: Rectangle(double length, double width) : length(length), width(width) {} double getArea() const override { return length * width; } void printInfo() const override { cout << "矩形，长：" << length << "，宽：" << width << endl; } ~Rectangle() { cout << "销毁矩形对象" << endl; } }; class Circle : public Shape { private: double radius; public: Circle(double radius) : radius(radius) {} double getArea() const override { return 3.14159 * radius * radius; } void printInfo() const override { cout << "圆形，半径：" << radius << endl; } ~Circle() { cout << "销毁圆形对象" << endl; } }; int main() { vector<Shape*> shapes; shapes.push_back(new Rectangle(5.0, 3.0)); shapes.push_back(new Circle(4.0)); double totalArea = 0.0; for (const auto& shape : shapes) { shape->printInfo(); totalArea += shape->getArea(); } cout << "总面积：" << totalArea << endl; for (const auto& shape : shapes) { delete shape; } return 0; }
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纯虚函数
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纯虚函数的声明
- 纯虚函数是通过在基类中声明一个没有实际实现的虚函数来定义的。
- virtual ReturnType functionName() = 0;
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纯虚函数的作用
- 纯虚函数为基类提供接口，要求派生类实现该函数。
- 派生类必须提供对纯虚函数的定义，以便成为具体类。
- 纯虚函数使得基类成为抽象类，无法实例化对象。
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抽象类
- 抽象类包含至少一个纯虚函数。
- 抽象类无法实例化对象，只能用作基类。
- 抽象类可以包含非纯虚函数，这些函数可以有实际的实现。
- 抽象类定义了一组接口和基本行为，要求派生类实现纯虚函数。
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代码示例
#include <iostream> class AbstractClass { public: virtual void PureVirtualFunction() = 0; // 纯虚函数 void NonPureVirtualFunction() { std::cout << "Non-pure virtual function" << std::endl; } }; class ConcreteClass : public AbstractClass { public: void PureVirtualFunction() override { std::cout << "Pure virtual function implementation" << std::endl; } }; int main() { // AbstractClass abstractObj; // 错误，无法实例化抽象类对象 ConcreteClass concreteObj; concreteObj.PureVirtualFunction(); concreteObj.NonPureVirtualFunction(); AbstractClass* abstractPtr; abstractPtr = &concreteObj; abstractPtr->PureVirtualFunction(); abstractPtr->NonPureVirtualFunction(); return 0; } - 抽象类不能实例化对象，只能用作基类。
- 派生类必须实现纯虚函数才能成为具体类。
- 如果派生类没有实现纯虚函数，它仍然被视为抽象类，无法实例化对象。
- 抽象类可以包含非纯虚函数，但纯虚函数必须在派生类中实现。
- 纯虚函数可以具有实现，但通常没有实际实现，只是提供一个接口。
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多态原理
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虚函数表 & 虚函数指针
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#include <iostream> class Base { public: int a = 1; virtual void Fun1() { } }; class Son : public Base { public: int a = 1; virtual void Fun1() { } }; int main() { Base b; Son s; return 0; } -
定义一个空的类，写一个虚函数，观察期内存大小？
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类中仅有一个虚函数时类的内存大小为4Byte
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虚函数指针 - virtual function ptr(类对象前4Byte)
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virtual function ptr - 虚函数表
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FunAddr
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内存布局
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继承机制下的虚函数表
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#include <iostream> #include <Windows.h> class Base1 { public: virtual void Fun1(){} }; class Base2 { public: virtual void Fun2() {} }; class Son : public Base1, public Base2 { public: virtual void Fun1() {} virtual void Fun2() {} }; int main() { //虚函数表 Son obj; std::cout << std::hex << *(PDWORD)((PCHAR)(&obj) + 0) << std::endl; std::cout << std::hex << *(PDWORD)((PCHAR)(&obj) + 4) << std::endl; return 0; } 
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动态绑定
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示例1
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代码
#include <iostream> class Animal { public: virtual void MakeSound() { std::cout << "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* animalPtr; Dog dog; Cat cat; animalPtr = &dog; animalPtr->MakeSound(); // 输出: Dog barks. animalPtr = &cat; animalPtr->MakeSound(); // 输出: Cat meows. return 0; } -
图解
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对象地址
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获取对象地址
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指向函数
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示例2
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代码
#include <iostream> #include <Windows.h> class Base1 { public: virtual void Fun1() {} }; class Base2 { public: virtual void Fun2() {} }; class Son : public Base1, public Base2 { public: virtual void Fun1() {} virtual void Fun2() {} }; int main() { Base1* pBase1; Base2* pBase2; Son obj; pBase1 = &obj; pBase2 = &obj; pBase1->Fun1(); pBase2->Fun2(); return 0; } -
图解
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Base1
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Base2
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pBase1 -> obj.Addr + 0 = vfptr(1)
pBase2 -> obj.Addr + 4 = vfptr(2)
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