【C++第十六章】多态

news2024/11/15 12:42:47

【C++第十六章】多态

定义🧐

  多态通俗来说，就是多种形态，我们去完成某个行为时，不同对象完成时会产生出不同的状态。比如游乐园中，1.2米以上买票就需要买成人票，1.2米以下就可以买儿童票。

  多态是在不同继承关系的类对象，去调用同一函数，产生不同行为。我们通过下面代码来学习：

#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() 
	{ 
		cout << "买票-半价" << endl; 
	}
};
//多态条件
//1.虚函数重写
//2.父类的指针或者引用去调用虚函数

//虚函数重写要求
//父子继承关系的两个虚函数，要求同函数名、参数、返回

//virtual只能修饰成员
//三同的例外：协变->返回类型可以不同，但必须是父子类关系的指针或者引用
//派生类重写的虚函数可以不加virtual
void Func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}
int main()
{
	Person ps;
	Student st;

	Func(ps);
	Func(st);
	
	return 0;
}

  student类继承了person类，并拥有同一函数BuyTicket，此时我们使用**父类的指针或者引用去调用该函数**就可以形成多态。

  总结一下，多态形成的条件为：1.虚函数的重写(由于一些特性，子类虚重写的虚函数可以不加virtual) 2.需要父类指针或者引用去调用该函数。而虚函数重写需要满足三同——函数名、参数、返回类型(除协变)都要相同。普通函数的继承是实现继承，虚函数的继承是接口继承。

Pasted image 20240814120002

协变🔎

  协变是三同的例外，协变的返回类型可以不同，但必须是父子类关系的指针或者引用。

Pasted image 20240813205432

子类virtual🔎

  子类重写的虚函数可以不加virtual，但父类必须加上virtual

Pasted image 20240813205612

  原因在于，父类指针只会调用父类析构，但是我们可能将父类指针指向子类，而delete由两部分构成——destructor(析构的统一处理，继承章节提到过)和operator delete，析构函数的名称由于多态被统一处理了，所以delete时会先调用析构再调用operator delete，在该代码中，我们想要p指向谁就调用谁的析构，此时就需要用到虚函数，而person和student满足父子关系，也有统一函数名destructor，此时只缺少virtual关键字，所以我们在析构加上virtual就可以变为多态，实现指向谁析构谁。

  不过在设计时，为了不让我们忘记给子类加上virtual而导致内存泄漏，所以统一设计，即使子类不写virtual也可以重写。

#include <iostream>
using namespace std;

class Person {
public:
	~Person()
	{
		cout << "~Person()" << endl;
	}
};
class Student : public Person
{
public:
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
	}
};

int main()
{
	Person* p = new Person;
	delete p;

	p = new Student;
	delete p;

	return 0;
}

Pasted image 20240813214552

Pasted image 20240813214616

重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)🔎

Pasted image 20240814125718

小试牛刀🔎

Pasted image 20240814124514

  B类创建了一个指针，该指针指向test函数，而test是A类的成员，所以test的参数为A* this，内部为this->fucn()，而this是B，B与A是父子关系，满足虚函数重写，所以是多态调用，但虚函数重写是父类的实现，用的是父类的接口，所以val还是父类的值，则选B。

final和override🧐

  final用于修饰虚函数，被修饰的虚函数不能被重写。

Pasted image 20240814130212

  override修饰派生类的虚函数，可以检查是否完成重写，没有重写则会报错。

Pasted image 20240814130450

抽象类🧐

  在虚函数后面加上"=0"，则这个函数为纯虚函数，含有纯虚函数的类叫做抽象类(接口类)，抽象类不能实例出对象，派生类继承后必须要重写纯虚函数，才能实例化对象。

  纯虚函数规范了抽象类必须要重写，也体现出接口继承。抽象类一般用于不需要实例化的对象，比如person类，我们没有赋予属性前这个类就可以看做是抽象的，当我们继承person类后，重写它的各种属性(身高年龄职业等)，让其变为一个具体的对象再进行实例化。

Pasted image 20240814132812

虚函数表🧐

  C++会把虚函数存到虚函数表(_vfptr)中，所以会多开一个指针指向该表(本篇博客代码在32位环境下运行)，虚函数编译后也存在代码段中，只不过会把虚函数的地址单独拿出来放在表中。

Pasted image 20240814174804

Pasted image 20240814175304

  虚函数的重写，也叫虚函数的覆盖，虚函数表也会进行覆盖。所以当我们传子类对象时，实际上是父类对子类的切片，通过子类虚函数表找到虚函数地址。

#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
	virtual void func(){}

private:
	int a = 0;
};

class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }

private:
	int b = 1;
};

void Func(Person ptr)
{
	ptr.BuyTicket();
}

int main()
{
	Person p;
	Student s;
	
	Func(p);
	Func(s);

	return 0;
}

Pasted image 20240814211250

  那么为什么可以用指针和引用，而不能用对象呢？首先引用的底层也是指针，所以它俩都是能指向子类对象中切割出来的父类。用对象也是子类切割出来的父类，成员拷贝给父类，但是不会拷贝虚函数表的指针，原因在于当出现父类=子类的情况时，不一定能调用到父类的虚函数。

Pasted image 20240814205451

  如果父类写了虚函数，子类没写虚函数，虚函数表的内容一样，但是存储在不同的位置，因为多开一个虚函数表不会耗费太多资源，从安全性考虑新开一个表更为保险。

Pasted image 20240814210906

  同一个类可以共用一张虚表。

Pasted image 20240814210537

  我们将虚表地址打印出来，发现虚表更靠近代码段，所以我们认为虚表是存在代码段中的。

Pasted image 20240816134602

  并且，所有的虚函数一定会被放进类的虚函数表中，我们以下面代码来说明：

#include <iostream>
using namespace std;

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

class Derive : public Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Derive::func1" << endl;
	}
	virtual void func3()
	{
		cout << "Derive::func3" << endl;
	}
	virtual void func4()
	{
		cout << "Derive::func4" << endl;
	}
	void func5()
	{
		cout << "Derive::func5" << endl;
	}
private:
	int _b;
};
class X : public Derive
{
public:
	virtual void func3()
	{
		cout << "X::func3" << endl;
	}
};
//打印虚函数
typedef void (*VFUNC)();
void PrintVFT(VFUNC* a)
{
	for (size_t i = 0; a[i] != 0; i++)
	{
		printf("[%d]:%p->", i, a[i]);
		VFUNC f = a[i];
		(*f)();
	}
	printf("\n");
}

int main()
{
	Base b;
	PrintVFT((VFUNC*)(*((int*)&b)));

	Derive d;
	PrintVFT((VFUNC*)(*((int*)&d)));

	X x;
	PrintVFT((VFUNC*)(*((int*)&x)));
	return 0;
}

  我们用监视窗口发现只有两个虚函数。

Pasted image 20240816144909

  但实际上用函数指针数组打印出虚函数地址，发现实际有四个，不过监视窗口给我们隐藏了。

Pasted image 20240816144939

  我们打印出虚函数地址的原理为，先取到Derive对象的地址，然后强转成int*只取前4个字节，也就是取到虚函数表，解引用拿到虚函数的地址，最后强转一下传过去。

Pasted image 20240816150251

  在多继承下，会有多个虚表存在。

#include <iostream>
using namespace std;

class Base1
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Base1::func1" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "Base1::func2" << endl;
	}
private:
	int _a1;
};

class Base2
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Base2::func1" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "Base2::func2" << endl;
	}
private:
	int _a2;
};

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

	virtual void func3()
	{
		cout << "Derive::func3" << endl;
	}
	
private:
	int _b;
};
typedef void (*VFUNC)();
void PrintVFT(VFUNC* a)
{
	for (size_t i = 0; a[i] != 0; i++)
	{
		printf("[%d]:%p->", i, a[i]);
		VFUNC f = a[i];
		(*f)();
	}
	printf("\n");
}

int main()
{
	Derive d;
	PrintVFT((VFUNC*)(*((int*)&d)));

	Base2* ptr = &d; //自动切片
	PrintVFT((VFUNC*)*(int*)ptr);

	return 0;
}

Pasted image 20240817142309

  我们打印发现，重写的两个fun1地址不一样。

Pasted image 20240817160641

  我们用下面代码讲解：

#include <iostream>
using namespace std;

class Base1
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Base1::func1" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "Base1::func2" << endl;
	}
private:
	int _a1;
};

class Base2
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Base2::func1" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "Base2::func2" << endl;
	}
private:
	int _a2;
};

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

	virtual void func3()
	{
		cout << "Derive::func3" << endl;
	}
	
private:
	int _b;
};
typedef void (*VFUNC)();
void PrintVFT(VFUNC* a)
{
	for (size_t i = 0; a[i] != 0; i++)
	{
		printf("[%d]:%p->", i, a[i]);
		VFUNC f = a[i];
		(*f)();
	}
	printf("\n");
}

int main()
{
    Derive d;
	Base1* p1 = &d;
	p1->func1();

	Base1* p2 = &d;
	p2->func1();
    return 0;
}

  我们从p1的汇编指令来看，首先p1所call的不是真正的地址，而是call到jmp，再由jmp跳到真正的地址，开始建立fun1的栈帧，而p2发现call和jmp以及func1的地址也不一样，并且会进行多段跳。

Pasted image 20240817153059

Pasted image 20240817153107

  原因在于func1所接受的是Derive* this，而this应该能够访问整个对象，所以我们需要修正p2让它指向Derive，如图2的ecx-8就是在修正p2，让其指向Derive对象，而p1恰好与this重叠，所以没有多段跳。

结尾👍

  以上便是多态的全部内容，如果有疑问或者建议都可以私信笔者交流，大家互相学习，互相进步！🌹

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