C++之多态（下）

news2024/11/27 16:44:25

多态的实现原理

多态的拓展

单继承中的多态

多继承中的多态

上期，我们学习了多态的基本概念，本期我们来学习多态的实现原理。

多态的实现原理

class Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Base::func1()" << endl;
	}
private:
	int _a;
	char _ch;
};

对于上述Base这个类而言，sizeof(Base)有多大呢？

大多数人可能认为是8个字节，按照以往的知识，考虑了内存对齐的大小之后，看似是8个字节貌似也没有什么问题，我们不妨通过实践，来看一下这个Base有多大。

通过运行结果不难发现，Base类的大小竟然是12字节，这是为什么呢？我们通过创建了一个Base类对象通过监视窗口进一步查看。

通过监视窗口，我们不难看出，虽然我们只定义了两个成员，但是实际上Base类中有三个成员，那么这个_vfptr成员变量是什么呢？

_vfptr我们称它为虚函数表指针，它指向了一个虚函数表，虚函数表就是一个虚函数指针数组，里面存储虚函数的地址，在子类虚函数表中，会先去存放从子类中继承下来的虚函数地址，然后再去存放自己类中生成的虚函数的地址。

那么有了这个虚函数表指针之后，我们是如何在底层实现多态的呢？

代码如下。

class Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Base::func1()" << endl;
	}
private:
	int _a;
	char _ch;
};

class Child:public Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Child::func1()" << endl;
	}
};

int main()
{
	Base b;
	Child c;
	Base& b2 = b;
	b2.func1();
	Base& b3 = c;
	b3.func1();
	return 0;
}

运行结果如下。

我们发现，上述代码实现了多态。通过图示为大家讲解原理。

当我我们把b对象传给它的引用b2时，b2调用func1函数时，先会去找b的虚函数指针，然后通过虚函数指针找到b的虚函数表，然后在虚函数表中找到func1函数的地址然后去调用，这样就完成了调用父类Base类中的虚函数func1。

当我们把c对象床位它的引用b3时，b3调用func1函数时，先会去找c的虚函数指针，然后通过虚函数指针找到c的虚函数表，然后在虚函数表中找到func1函数的地址然后去调用，这样就完成了调用子类Child类中的虚函数func1。

简单来说，就是父类类的指针或者引用会根据传来的是子类还是父类对象，去对应的子类或者父类对象的虚函数表中去调用对应的虚函数，这便是多态的实现原理。

多态的拓展

示例代码如下。

我们发现，同样的两个父类对象，他们的虚函数指针也是相同的。这其实也是多态的一个特点，就是同类的对象共用一张虚函数表，子类会继承父类的虚函数表，但是会对继承下来的虚函数表进行改写，所以虽然子类会继承父类的虚函数表，但是因为进行了改写，所以本质上子类的虚函数表和父类的虚函数表是两张不同的表。

这不由得产生了一个问题，虚函数表存放在哪里？栈里面吗？

当然不是，如果是栈里面，那么虚函数表的生命周期就随对象，太过麻烦，我们直接给出结论，虚函数表是与虚函数一眼个都是存放在代码段的。

单继承中的多态

代码如下。

#include<iostream>
using namespace std;


class Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Base::func1()" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "Base::func2()" << endl;
	}

private:
	int _a;
	char _ch;
};

class Child:public Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Child::func1" << endl;
	}
	
	virtual void func3()
	{
		cout << "Child::func3" << endl;
	}
};

int main()
{
	Base b;
	Child c;

	return 0;
}

调试窗口如下。

我们发现子类的虚表中，存储从父类中继承下来的func2以及重写之后的func1，自己的func3函数其实也在虚表中，但是通过调试窗口看不见，只能通过内存观察。

多继承中的多态

代码如下。

#include<iostream>
using namespace std;


class Base1
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Base1::func1()" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "Base1::func2()" << endl;
	}

private:
	int _a;
	char _ch;
};
class Base2
{
public:
	virtual void func3()
	{
		cout << "Base2::func3()" << endl;
	}
	virtual void func4()
	{
		cout << "Base2::func4()" << endl;
	}

private:
	int _a;
	char _ch;
};

class Child:public Base1,public Base2
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Child::func1" << endl;
	}
	
	virtual void func3()
	{
		cout << "Child::func3" << endl;
	}

	virtual void func5()
	{
		cout << "Child::Func5" << endl;
	}
};

int main()
{

	Child c;

	return 0;
}

监视窗口如下。