C++ 之多态虚函数原理及应用

news2024/9/28 19:18:58

文章目录

    • 多态基本概念和原理
    • 虚函数的基本原理和概念
    • 虚析构和纯虚析构
    • 多重继承中的虚函数
    • 小结

多态基本概念和原理

多态的基本概念

**多态是C++面向对象三大特性之一**

多态的定义

多态是一种面向对象编程概念，指同一个行为（方法）在不同的对象上有不同的实现方式。其定义可以简单地理解为“同名多形”，即同一个方法名可以被不同的类实现，并且表现出不同的行为。 多态使得程序具有更高的灵活性和可扩展性，因为它使得代码与具体对象的实现细节分离开来，从而可以方便地添加新的类或修改旧的类的实现方式，同时也使得代码更易于维护。

虚函数和多态的关系

虚函数是实现多态的关键。在基类中声明一个虚函数，当子类重写该函数时，调用该函数将根据对象类型动态确定。这样做可以实现运行时多态，即在程序运行期间根据对象类型动态确定哪个函数应该被调用。这使得代码更加灵活和可扩展，并且减少了大量的条件判断语句。因此，虚函数和多态密不可分。

多态分为两类

  • 静态多态: 函数重载 和 运算符重载属于静态多态，复用函数名
  • 动态多态: 派生类和虚函数实现运行时多态

静态多态和动态多态区别：

  • 静态多态的函数地址早绑定  -  编译阶段确定函数地址
  • 动态多态的函数地址晚绑定  -  运行阶段确定函数地址

    动态多态满足条件
    1、有继承关系
    2、子类重写父类的虚函数

    动态多态的使用
    父类的指针或者引用指向子类的对象

   重写：函数返回值类型  函数名 参数列表 完全一致称为重写

#include <iostream>
using namespace std;

	class Animal
	{
	public:
	//speak函数就是虚函数
	//函数前面加上virtual关键字，变成虚函数，那么编译器在编译的时候就不能确定函数调用了。

		virtual void speak() { //类Animal的成员函数speak前不加virtual，其size是1，加virtual其size是4，增加一个虚函数指针
			cout << "动物在说话" << endl;
		}

	};
	class Cat :public Animal {
	public:
		//子类重写父类的虚函数，void前加不加virtual均可
		//重写：函数返回值类型  函数名 参数列表 完全一致称为重写
		void speak() {
			cout << "小猫在说话" << endl;
		}
	};

	//执行说话的函数
	//地址早绑定，在编译阶段确定函数地址，父类的speak函数前不加virtual,则即使DoSpeak传入参数cat，则也是调用的父类的speak函数
	//如果想让小猫说话，那么这个函数地址就不能早绑定，需要在运行阶段进行绑定，地址晚绑定

	//我们希望传入什么对象，那么就调用什么对象的函数
	//如果函数地址在编译阶段就能确定，那么静态联编
	//如果函数地址在运行阶段才能确定，就是动态联编

	//动态多态满足条件
	//1、有继承关系
	//2、子类重写父类的虚函数

	//动态多态的使用
	//父类的指针或者引用指向子类的对象

	void DoSpeak(Animal &animal)  //父类的指针或者引用指向子类的对象 Animal &animal = cat;
	{
		animal.speak();
	}

	void test() {
		Cat cat;
		DoSpeak(cat);

	}
int main(){
	test();
	return 0;
}

多态的基本原理

实现原理：虚函数表+虚表指针

编译器处理虚函数的方法是：为每个类对象添加一个隐藏成员，隐藏成员中保存了一个指向函数地址数组的指针，称为虚表指针（vptr），这种数组成为虚函数表（virtual function table, vtbl），即，每个类使用一个虚函数表，每个类对象用一个虚表指针。

举个例子：基类对象包含一个虚表指针，指向基类中所有虚函数的地址表。派生类对象也将包含一个虚表指针，指向派生类虚函数表。看下面两种情况：

如果派生类重写了基类的虚方法，该派生类虚函数表将保存重写的虚函数的地址，而不是基类的虚函数地址。

如果基类中的虚方法没有在派生类中重写，那么派生类将继承基类中的虚方法，而且派生类中虚函数表将保存基类中未被重写的虚函数的地址。注意，如果派生类中定义了新的虚方法，则该虚函数的地址也将被添加到派生类虚函数表中。

调用虚函数时，程序将查看存储在对象中的虚函数表地址，转向相应的虚函数表，使用类声明中定义的第几个虚函数，程序就使用数组的第几个函数地址，并执行该函数。

//当父类的指针或者引用指向子类的对象时，发生多态
Animal &animal = cat;  //由于此处指向的是cat对象，所以它会从cat对象的虚函数表中去找speak()函数，在运行阶段发生了动态多态，你传的是cat对象，它就从cat对象的虚函数表中地址找该函数，最后实现调用cat的speak()函数
animal.speak();

类Animal的成员函数speak前不加virtual，其size是1，加virtual其size是4，增加一个虚函数指针

当子类没有重写父类的虚函数时

子类重写父类的虚函数时，子类的虚函数指针指向的地址，将子类虚函数地址将父类的函数地址覆盖了，动态多态实现地址的晚绑定。

多态案例-计算器类

//利用多态实现计算机类

//多态的好处
//1、组织结构清晰
//2、可读性强
//3、对于前期和后期的扩展和维护性高


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

class Abcal {
public:
  virtual int getResult() { return 0; }
  int num1;
  int num2;
};

//设计加法计算器类
class Addcal : public Abcal {
public:
  int getResult() { return num1 + num2; }
};

//减法的计算器类
class Subcal : public Abcal {
public:
  int getResult() { return num1 - num2; }
};

//乘法的计算器类
class Mulcal : public Abcal {
public:
  int getResult() { return num1 * num2; }
};

void test() {
  //多态的使用
  //父类的指针或者引用指向子类的对象

  //加法计算
  Abcal *a = new Addcal; // new Addcal 创建加法计算器的对象  //堆区
  a->num1 = 10;
  a->num2 = 10;
  int c = a->getResult();
  cout << "c = " << c << endl;

  //堆区手动开辟数据需要手动释放
  delete a; //只释放堆区的数据，指针的类型没有变还是父类的指针

  //减法计算
  a = new Subcal;
  a->num1 = 10;
  a->num2 = 10;
  int d = a->getResult();
  cout << "d = " << d << endl;

  delete a;
}
int main() {
  test();
  return 0;
}

虚函数的基本原理和概念

一、什么是虚函数？
在某基类中声明为 virtual 并在一个或多个派生类中被重新定义的成员函数

用法格式为：virtual 函数返回类型 函数名（参数表） {函数体}；实现多态性，通过指向派生类的基类指针或引用，访问派生类中同名覆盖成员函数。

二、虚函数定义
简单地说，那些被virtual关键字修饰的成员函数，就是虚函数。虚函数的作用，用专业术语来解释就是实现多态性（Polymorphism），多态性是将接口与实现进行分离；用形象的语言来解释就是实现以共同的方法，但因个体差异，而采用不同的策略。下面来看一段简单的代码。

三、虚函数的作用

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（动态绑定）。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。

虚函数可以让子类对象在运行时动态地继承和修改父类的成员函数，使得代码更加灵活、可重用，并且可以实现多态性和抽象类等高级特性。

  1. 通过虚函数，可以实现多态性（Polymorphism），即同一个函数名可以在不同的子类中表现出不同的行为，这样可以提高代码的可重用性和灵活性。
  2. 避免静态绑定，在使用父类指针或引用调用子类对象的成员函数时，如果没有使用虚函数，则会进行静态绑定（Static Binding），即只能调用父类的成员函数，无法调用子类特有的成员函数。
  3. 虚函数的调用是动态绑定（Dynamic Binding）的，即在运行时根据指针或引用所指向的对象类型来选择调用哪个函数，从而实现动态多态性。
  4. 抽象类是一种不能直接实例化的类，只能被其他类继承并实现其虚函数。通过定义纯虚函数（Pure Virtual Function），可以使得一个类成为抽象类，强制其子类必须实现该函数。

四、虚函数的底层实现原理

实现原理：虚函数表+虚表指针

  • 虚函数表：每个包含虚函数的类都会生成一个虚函数表（Virtual Table），其中存储着该类中所有虚函数的地址。虚函数表是一个由指针构成的数组，每个指针指向一个虚函数的实现代码。
  • 虚函数指针：在对象的内存布局中，编译器会添加一个额外的指针，称为虚函数指针或虚表指针（Virtual Table Pointer，简称 VTable 指针）。这个指针指向该对象对应的虚函数表，从而让程序能够动态地调用正确的虚函数。

当一个基类指针或引用调用虚函数时，编译器会使用虚表指针来查找该对象对应的虚函数表，并根据函数在虚函数表中的位置来调用正确的虚函数。

1、虚函数表的概念与作用

虚函数表是一种用于实现多态的机制，在 C++ 中，当一个类中包含虚函数时，编译器会自动为该类生成一个虚函数表。这个表由包含虚函数的类的指针所指向，其中每个条目都存储着对应虚函数的地址。当使用一个对象调用其虚函数时，编译器通过该对象的虚函数表找到对应的虚函数地址，并进行调用。

虚函数表的作用在于实现了多态，即通过基类指针或引用调用派生类的虚函数，实现了不同对象的不同行为。因此，虚函数表使得程序可以更加灵活地处理不同类型的对象，并支持代码的扩展和修改。同时，由于虚函数表的存在，C++ 中的虚函数调用比起其他语言（如 Java）中的成本要高，因为需要额外的内存空间存储虚函数表及其指针。

2、虚函数指针的意义

虚函数指针的意义在于实现多态。多态是指同一种操作作用于不同的对象，可以有不同的解释，产生不同的执行结果。通过使用虚函数和虚函数指针，可以在运行时确定调用哪个子类中的虚函数，从而实现了动态绑定，使得程序具有更好的灵活性和扩展性。

此外，虚函数指针也是实现多级继承的关键，在多级继承中，每个子类都需要维护自己的虚函数表及其对应的虚函数指针。

3、虚函数的调用过程

  1. 在编译期间，编译器会根据函数调用的类型和对象的类型确定要调用的函数。
  2. 在运行期间，程序会根据对象的实际类型来决定调用哪个函数。这个过程叫做动态绑定或者后期绑定。
  3. 程序通过虚函数表（vtable）来实现动态绑定。每个含有虚函数的类都有自己的虚函数表，存储了指向实际函数地址的指针。在对象被创建时，它的指针会指向所属类的虚函数表。
  4. 当调用虚函数时，在对象中存储的指针会被解引用，获取到虚函数表的地址。然后根据函数调用的类型，从虚函数表中获取相应的函数地址。
  5. 最后，程序跳转到函数地址处执行实际的代码。由于是动态绑定，所以调用的函数是根据对象实际类型来决定的。

4、虚函数的重写与覆盖

在 C++ 中，派生类可以重写 (override) 它继承的虚函数，这被称为函数的覆盖 (overriding)。当然，子类也可以选择不重写基类的虚函数，那么它将默认继承基类的实现，这就是虚函数的重载 (overloading)。

虚函数的重写了解起来比较简单，子类定义与父类相同名称和参数列表的虚函数，此时会自动调用子类中定义的方法，而不会调用父类的同名虚函数。例如：

class Base {
public:
    virtual void foo() {
        std::cout << "Base::foo()" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void foo() {
        std::cout << "Derived::foo()" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Derived obj;
    Base* ptr = &obj;
    ptr->foo(); // 输出：Derived::foo()
    return 0;
}

例子中，派生类 Derived 重写了基类 Base 的虚函数 foo()，所以在调用指针 ptr 的 foo() 时，实际上调用的是 Derived 类中定义的函数，输出结果为 "Derived::foo()"。

需要注意的是，在子类中重写虚函数时，其访问权限不能更严格（即不能由 public 变为 private 或 protected），否则编译器会报错。

五、使用虚函数后的变化
（1） 对象将增加一个存储地址的空间（32位系统为4字节，64位为8字节）。
（2） 每个类编译器都创建一个虚函数地址表。
（3） 对每个函数调用都需要增加在表中查找地址的操作。

六、虚函数的注意事项
总结前面的内容

（1） 基类方法中声明了方法为虚后，该方法在基类派生类中是虚的。
（2） 若使用指向对象的引用或指针调用虚方法，程序将根据对象类型来调用方法，而不是指针的类型。
（3）如果定义的类被用作基类，则应将那些要在派生类中重新定义的类方法声明为虚。

构造函数不能为虚函数。
基类的析构函数应该为虚函数。

  • 首先明确调用顺序：
    • 构造函数：先调用父类的，再调用子类的；不可以为虚函数
    • 折构函数：先调用子类的，再调用父类的；可以是虚函数

友元函数不能为虚，因为友元函数不是类成员，只有类成员才能是虚函数。
如果派生类没有重定义函数，则会使用基类版本。
重新定义继承的方法若和基类的方法不同（协变除外），会将基类方法隐藏；如果基类声明方法被重载，则派生类也需要对重载的方法重新定义，否则调用的还是基类的方法。

虚函数在多态中的应用

虚函数在多态中的应用十分重要。多态指的是同一种类型的对象，在不同的情况下可以表现出不同的行为。C++通过使用虚函数来实现多态性。

虚函数是指在基类中被声明为虚函数并在派生类中重新定义的函数。当基类指针指向派生类对象时，通过该指针调用虚函数时，会根据指向的实际对象类型进行动态绑定，从而执行相应的派生类函数。

例如，有一个基类Animal和两个派生类Cat和Dog，它们都有一个名为sound()的虚函数。当使用基类指针指向Cat或Dog对象时，通过该指针调用sound()函数时会自动执行相应的派生类函数，从而实现了多态性。

虚函数的应用使得程序具有更好的灵活性和可扩展性，并且简化了代码的编写和维护。

虚函数的优缺点

虚函数的优点：

  1. 实现多态性：通过虚函数，可以在不知道对象具体类型的情况下，调用特定对象的方法。
  2. 代码灵活性：虚函数允许子类覆盖父类的方法，并且不需要改变基类的代码。
  3. 代码可维护性：虚函数使得代码易于维护和扩展，因为子类可以通过重载虚函数来实现自己的行为。

虚函数的缺点：

  1. 额外的开销：虚函数需要额外的开销来支持运行时的动态绑定和查找虚表。这可能会影响程序的性能。
  2. 可能会引起混淆：由于虚函数的存在，同名的函数可能会被不同的类定义。如果没有正确的使用虚函数，可能会导致混淆和错误的结果。
  3. 不适合于小型应用：虚函数对于小型应用来说可能过于复杂和冗余。在这种情况下，使用虚函数可能会导致更多的开销而不是提高效率。

如何合理地使用虚函数

  1. 虚函数应用于继承层次结构中的多态性，即通过基类指针或引用调用派生类对象的成员函数。
  2. 可以将虚函数作为接口定义，让不同的派生类实现自己的版本，以满足各自的需求。
  3. 避免在构造函数和析构函数中调用虚函数，因为此时对象还未完全构造或已经被销毁。
  4. 虚函数的声明应该在公共部分（例如基类），而不是在私有部分（例如派生类）中声明。
  5. 将虚函数的实现定义为inline可以提高程序的执行效率。
  6. 在使用纯虚函数时，需要给出其具体实现。可以在派生类中实现，也可以在基类中实现。
  7. 避免过度使用虚函数，因为虚函数会增加程序的开销。在没有必要的情况下，可以使用普通成员函数代替虚函数。

纯虚函数和抽象类

纯虚函数是指在基类中定义的没有实现的虚函数。使用纯虚函数可以使该函数只有函数原型，而没有具体的实现。注：这里的“=0”表示该函数为纯虚函数。

纯虚函数的作用是让子类必须实现该函数，并且不能直接创建该类对象（即该类为抽象类）。

抽象类是包含纯虚函数的类，它们不能被实例化，只能被继承。抽象类只能用作其他类的基类。如果一个类继承了抽象类，则必须实现所有的纯虚函数，否则该类也会成为抽象类。

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

class Base {
public:
  //纯虚函数
  //只要有一个纯虚函数，这个类称为抽象类
  //抽象类特点：
  // 1、无法实例化对象
  // 2、抽象类的子类 必须要重写父类中的纯虚函数，否则也是属于抽象类

  virtual void func() = 0; //父类的虚函数实现毫无用处，可以直接写成纯虚函数
};

class Son : public Base {
public:
  virtual void func() { cout << "func的调用" << endl; }
};

void test(){
    Base *b = new Son;  //调用通过父类的指针指向子类的对象
    b->func();   //多态的目的让我们的函数接口更通用化，通过一个父类指针，可以调用不同对象下对应的函数

    delete b;
}

int main() {
  test();
  return 0;
}

虚析构纯虚析构

虚析构函数的必要性

C++虚析构函数的必要性在于，当一个类拥有子类并且该类中包含有动态分配的内存资源时，需要通过虚析构函数来释放这些内存资源。如果不使用虚析构函数，当子类实例被删除时，只会调用基类的析构函数，而不会调用子类的析构函数，从而导致子类中动态分配的内存资源无法正确释放，可能会导致内存泄漏或者程序崩溃。因此，在使用继承和动态内存分配时，为了保证程序的正确性和健壮性，需要使用虚析构函数来释放内存资源。(将父类的析构函数写为虚函数或者纯虚函数即可，可以解决父类指针释放子类对象时不干净的问题)

纯虚析构 ：需要声明也需要实现，有了纯虚析构之后，这个类也属于抽象类，无法实例化对象。

多重继承中的虚函数

在多重继承中，如果一个类同时继承了多个基类，而这些基类中都有同名的虚函数，那么子类必须对这些虚函数进行重写并实现。此时，需要使用作用域限定符来指明重写的是哪个基类的虚函数。

例如：

class Base1 {
public:
    virtual void func() { cout << "Base1::func()" << endl; }
};

class Base2 {
public:
    virtual void func() { cout << "Base2::func()" << endl; }
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    virtual void func() { Base1::func(); Base2::func(); }
};

例子中，派生类Derived同时继承了Base1和Base2，这两个基类中都有名为func的虚函数。在Derived中，我们通过使用作用域限定符Base1::和Base2::，分别调用了两个基类中的虚函数。

Derive d;
Base1 *b1 = &d; 
Base2 *b2 = &d;
Base3 *b3 = &d;
b1->f(); //Derive::f()
b2->f(); //Derive::f()
b3->f(); //Derive::f()
b1->g(); //Base1::g()
b2->g(); //Base2::g()
b3->g(); //Base3::g()

小结

摘自：

1、对C++虚函数不了解？看完这篇文章掌握虚函数的原理和作用 - 知乎

2、C++虚函数的作用和实现原理_c++虚函数作用及底层原理-CSDN博客

3、C++虚函数的作用和实现原理_c++ 纯虚函数 父类实现-CSDN博客

4、54 类和对象-多态-多态的原理剖析_哔哩哔哩_bilibili

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