【C++】-----多态及原理

news2024/10/1 4:15:30

目录

前言

一、是什么？

二、怎么样？

Ⅰ、构成条件

Ⅱ、虚函数 

Ⅲ、虚函数的重写

1.常规情况下

2.虚函数重写的三个例外

 ①返回值的类型可以不同

②析构函数的重写 

 ③子类虚函数可以不加virtual关键字(不建议)

3.override和final关键字

 Ⅳ、重载/重写/重定义(隐藏)区别

三、虚函数表（细致）

场景引入

定义

单继承的虚表

如何打印虚表(指针)？

多继承的虚表

菱形虚拟继承的虚表

总结：

四、底层原理

原理

多态调用与普通调用

五、抽象类

定义

特点

前言

都说面向对象的三大特性为封装，继承，多态，前面已经介绍了封装和继承，下面来看看C++多态是怎么个事。。

一、是什么？

多态，多态，通俗点来说就是一个事物有多种形态，具体点就是对于同一件事情，不同对象去完成时会产生不同的形态，结果不一样！

比如：买车票这件事，有普通票，有学生票半价，军人就优先买票等等

二、怎么样？

多态是在不同继承关系的类对象，去调用同一函数，从而产生了不同的行为！！

多态的特点：指向谁就调用谁！

Ⅰ、构成条件

  • 子类完成对父类虚函数的重写
  • 通过父类的指针或者引用去调用虚函数

因此实现多态，指向谁，就调用谁！！

Ⅱ、虚函数 

所谓虚函数，就是在成员函数前面加上virtual关键字 。

注意：

①是成员函数，不是函数！！！不能在类外声明和定义

②静态成员函数不能设置为虚函数，因为没有this指针，使用类型::成员函数的调用方式无法访问虚函数表，所以静态成员函数无法放进虚函数表。

③inline成员函数可以是虚函数。编译器会忽略inline属性。

 如：

virtual void Buytick()

Ⅲ、虚函数的重写

1.常规情况下

重写也称为覆盖，即子类中有一个和父类完全一样（函数名，参数列表，返回值三者）的成员函数，称为子类重写了父类的虚函数。。

可以看到，没有完成虚函数重写，不构成多态，结果就不是多态的结果！

 以上常规情况下必须完成三同的条件，但是你知道的，这是C++，必然会有例外，也叫坑！

2.虚函数重写的三个例外

 ①返回值的类型可以不同

这种情况也叫做协变，类型不同，但是仅限父类虚函数返回父类的指针/引用,子类虚函数返回子类的指针/引用。

 

②析构函数的重写 
如果父类的析构函数为虚函数，此时子类析构函数只要定义，无论是否加virtual关键字，都与父类的析构函数构成重写，虽然函数名不同。看似违背重写规则，其实不然，因为 实际上编译器统一将析构函数的名称处理为destructor。这样函数名实际就是相同的。构成重写。

有以下场景：

可以看到上面的结果，如果子类中申请了空间，但是没有释放，必然会引起内存的泄漏 ，所以为了防止上述场景的发生，我们希望指向谁就调用谁的析构，那就要构成多态。所以建议在继承体系中，将析构函数定义为虚函数。。构成多态。。

 ③子类虚函数可以不加virtual关键字(不建议)

 

对于这种例外，不建议这样干，建议最好全加上。

注意：构成多态，父类不能不加！！

 为什么可以不加呢？

重写更深一层的含义：子类继承父类，实际上将虚函数头继承了，也就是说虚函数头实际还是和父类完全一样，子类只是完成功能上的重写，也就是把这个虚函数头的函数体换了。所以可以不加。

3.override和final关键字

  •  final，修饰虚函数，表示该虚函数不能继承；修饰类时，表示该类不能被继承。加父类

  •  override，检查子类虚函数是否重写父类的某个虚函数，没有重写就报错。加子类

 Ⅳ、重载/重写/重定义(隐藏)区别

  • 重载

①两个函数在同一作用域

②函数名相同，参数不同

  • 重写

①两个函数必须是虚函数

②两个函数分别在父类和子类

③两个函数满足三同（函数名，参数，返回值），协变例外

  • 重定义(隐藏)

①两个函数分别在父类和子类中

②两函数名相同即可

三、虚函数表（细致）

场景引入

问题：以下代码类对象的大小是多大？

class Base
{
public:
	virtual void Func() 
	{
		cout << "Is Base::Func()" << endl;
	}
private:
	int _a=1;
};

Base b;
sizeof(b)=?

 按照正常理解，类对象中存的是类成员变量，所以大小应该是4，但是事实并非如此！

可以看到结果是8，为啥呢？调试看看

除了有成员变量以外，还有一个_vfptr，这什么玩意啊？实际上就是一个指针，也叫做虚函数表指针。在32位环境下，一个指针的大小就是4字节，所以上面的结果就是 int + 指针大小=8！

定义

虚函数表就是存放虚函数地址的一个表。实际上，对于一个有虚函数的类至少都有一个虚函数表指针，该指针指向一个虚函数表，虚函数表简称虚表，虚函数表指针简称虚表指针！

注意区分：

①虚表里面存的不是虚函数，而是虚函数的地址（指针）！！！只有虚函数才能进入这个表！

②虚表的本质就是一个存虚函数指针的指针数组，一般这个数组最后一个放nullptr！

③虚表是在编译阶段就生成的，一般在常量区！

④虚表指针存在于实例化的对象上！

⑤虚函数跟普通函数一样存在代码段，不在虚表！

⑥继承部分提到的虚基表，存的当前位置距离虚基类部分的偏移量，解决菱形继承数据冗余和二义性

单继承的虚表

上图我们说过，只有一个函数是虚函数时，才能将其地址放入虚表中，那来看看下面的例子

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Is Base::Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func2()
	{
		cout << "Func2()" << endl;
	}
};
class Devire:public Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Is Devire::Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func3()
	{
		cout << "Is Devire::Func3()" << endl;
	}
};

Base b;
Devire d;

实际上这个可以理解为编译器的一个BUG。。将Func3给隐藏了，不正常现象！那Fun3究竟在哪？只能打印虚函数表来看看了。

如何打印虚表(指针)？

虚表实际上是一个函数指针数组，元素是函数指针，也就是每一个元素都为void(*)()类型。所以为了方便我们可以重命名。

typedef void(*VFR)();将函数指针类型重命名为VFR

VFR p[10];函数指针数组。元素VFR

虚表的访问需要使用对象中虚表指针才能进行访问，所以得取出对象的虚表指针（数组指针），指向虚表。32位环境下，一个指针的大小为4字节，所以就要取出对象的头4字节。怎么取？直接强制类型转化不可以！

①取出d对象地址，强制类型转化成int*，在解引用，此时就拿到一个整型的大小，4个字节。这个值就是指向虚表的指针。。

②在强转成VFR*，因为虚表就是一个存VFR类型(函数指针类型)的数组。

VFR* ptr = (VFR*)(*(int*)&d);//取出虚表指针。

打印函数：

//void func(VFR ptr[])
void func(VFR* ptr)
{
	cout << "虚表地址->>" << ptr << endl;
	for (size_t i = 0; i<3; i++)
	{
		printf("第%d虚函数的地址:%p->",i, ptr[i]);
		VFR f = ptr[i];//取出数组的每一个元素，类型为函数指针。

		(*f)();//指针解引用，函数调用
	}
}

验证一下结果： 

可以看到Func3也在对象d中的虚表中。。。只是被编译器隐藏了！！！BUG

所以实际上上图，单继承子类的对象模型是：

多继承的虚表

实际上，多继承体系中，子类没有重写的虚函数（自己的虚函数），会被放在第一个继承基类部分的虚函数表中！

分析如下：

class A
{
public:
	virtual void func1() { cout << "A::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "A::func2" << endl; }
private:
	int _a;
};
class B
{
public:
	virtual void func1() { cout << "B::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "B::func2" << endl; }
private:
	int _b;
};
class C : public B, public A
{
public:
	virtual void func1() { cout << "C::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "C::func2" << endl; }
private:
	int _c;
};

C c

上图的监视窗口可以看到，子类C重写了B和C的func1，那么C自己的虚函数Func3在哪？是否可能会在两个父类的虚表中的一个？打印虚表看看。

从上图可以很清楚的看出，C自己的虚函数放在了父类B的虚表中！！

注意：找到父类A的虚表指针，更加保险的写法：

A* ptr = &c;
VFR* vTableb2 = (VFR*)(*(int*)ptr);
func(vTableb2);

所以实际上，C的对象模型是这样的：

菱形虚拟继承的虚表

有如下继承关系：

class A
{
public:
	virtual void func1() { cout << "A::func1" << endl; }
private:
	int _a=1;
};
class B:virtual public A
{
public:
	virtual void func2() { cout << "B::func2" << endl; }
private:
	int _b=2;
};
class C :virtual public A
{
public:
	virtual void func3() { cout << "C::func3" << endl; }
private:
	int _c=3;
};
class D :public B, public C
{
public:
	virtual void func4() { cout << "D::func4" << endl; }
private:
	int _d=4;
};

D d
sizeof(d)=?

 

 

对于菱形虚拟继承，实际上存在三张虚表，A、B、C都有虚表。因为虚基类A是共享的，B和C的虚函数不可能同时放入A的虚表中，所以B和C存在各自的虚表，另外又是虚拟继承，所以还存在着一个虚基表指针，虚基表中存的偏移值，为了去寻找父类A，方便切片赋值！

 

总结：

  • 父类没有虚表或者是共享类的时候，子类都需要单独创建虚表存自己的虚函数。如上A是B、C的共享类，B、C就要创建虚表
  • 父类存在虚表，子类对象就不需要单独创建了，直接放继承下来的

不要写菱形虚拟继承，太复杂了！！ 

四、底层原理

原理

 结论：若程序满足多态条件，运行时，就会去指向对象的虚函数表中找到对应的虚函数地址，再根据虚函数地址调用对应的虚函数。指向父类调用父类的虚函数，指向子类调用子类的虚函数！

分析如下：

买票代码：

class Person
{
public:
	virtual void Buytick() 
	{
		cout << "普通-全价" << endl;
	}
};
class Stu :public Person
{
public:
	virtual void Buytick()
	{
		cout << "学生-半价" << endl;
	}
};
void Func(Person& p)
{
	p.Buytick();
}
int main()
{
	Person p;
	Stu s;
	return 0;
}

来看看子类Stu的虚表是怎样的。

①子类会将父类的虚表内容拷贝一份放到自己的虚表中，如果子类重写了父类中的某个虚函数，那就会用自己重写后的虚函数去覆盖父类的虚函数(如上Buytick)。子类自己新增的虚函数依次按声明顺序放入虚表。

②当你将子类对象赋值给父类指针或者引用时，切出去的父类虚函数已经被子类的覆盖了。

综上可得：父类和子类的虚函数表是完全不一样的两张表，即同类型的对象共用一张虚表，不同类型的对象有各自的虚表。正因如此，才能实现指向谁就调用谁。

多态调用与普通调用

①多态调用：满足多态条件以后的函数调用，不是在编译时确定的，而是程序运行起来以后到对象中找的。因为对象是在运行时才有的，而虚表指针又存在对象中。。

运行起来才确定所调用的函数行为，也称为动态绑定（晚期绑定）

②普通调用：不满足多态的函数调用，在编译时就确定了。根据调用对象的类型，确定调用函数。

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

五、抽象类

定义

在C++中的抽象类和Java不一样，C++的抽象类：在虚函数的后面写上 =0，该函数为纯虚函数！包含这种纯虚函数的类叫做抽象类

//Car为抽象类
class Car
{
public:
virtual void Drive() = 0;//纯虚函数
};

特点

①抽象类不能实例化出对象

②若子类没有重写纯虚函数，该子类也不能实例化出对象，重写后才可以实例化！但父类依旧不能实例化出对象

③间接强制派生类重写虚函数

和override的区别就是：override是检查语法是否有问题，能实例化对象！抽象类不能实例化出对象！

 看需求，若不希望父类实例化出对象，那就搞成抽象类！

①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。
②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。
③如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

 好了，今天的分享就到这里，如果对你有帮助，欢迎三连，你的支持和认可就是我前进的动力！

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