C++多态
- 一、多态的概念
- 二、多态的定义及实现
- 多态的构成条件
- 1. 实现多态的两个必须条件：
- 2. 虚函数
- 3. 虚函数的重写/覆盖
- 4. 多态场景的一个选择题
- 5. 虚函数重写的一些其他问题
- 协变
- 析构函数的重写
- 6. override 和 final 关键字
- 7. 重载/重写/隐藏的对比
- 三、纯虚函数和抽象类
- 四、多态的原理
- 虚函数表指针
- 多态的原理
- 1. 多态是如何实现的
- ①
- ②
- ③
- ④
- 2. 动态绑定与静态绑定的确切定义
- 3. 虚函数表
以下代码环境为 VS2022 C++。
一、多态的概念
多态(polymorphism)的概念：通俗来说，就是多种形态。多态分为编译时多态(静态多态)和运行时多态(动态多态)，这里重点讲运行时多态。
编译时多态(静态多态)主要是函数重载和函数模板，其传不同类型的参数就可以调用不同的函数，通过参数不同达到多种形态，之所以叫编译时多态，是因为实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的。
运行时多态(动态多态)，具体点是去完成某个行为(函数)，可以传不同的对象去完成不同的行为，来达到多种形态。比如买票这个行为，当普通人买票时，是全价买票；学生买票时，是优惠买票(5 折或 7.5 折)；军人买票时是优先买票。再比如，同样是动物叫的一个行为(函数)，传猫对象过去，就是” 喵 “，传狗对象过去，就是" 汪 "。因为只能在运行时去分辨不同的对象，所以称为运行时多态。
二、多态的定义及实现
多态的构成条件
多态是一个继承关系下的类对象，去调用同一函数，产生了不同的行为。比如 Student 继承了 Person。Person 对象买票全价，Student 对象优惠买票。
1. 实现多态的两个必须条件：
-
必须指针或者引用调用虚函数。
-
被调用的函数必须是虚函数。
说明：要实现多态效果，第一必须是基类的指针或引用，因为只有基类的指针或引用才能安全指向派生类对象；第二派生类必须对基类的虚函数重写 / 覆盖，重写或者覆盖了，派生类才能有不同的函数，多态的不同形态效果才能达到。
2. 虚函数
类成员函数前面加 virtual 修饰，那么这个成员函数被称为虚函数。注意非成员函数不能加 virtual 修饰。
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "买票 - 全价" << endl;
}
};
3. 虚函数的重写/覆盖
虚函数的重写 / 覆盖：派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数(即派生类虚函数与基类虚函数的返回值、类型、函数名字、参数列表完全相同)，称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。
注意：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加 virtual 关键字时，虽然也可以构成重写(因为继承后基类的虚函数被继承下来在派生类依旧保持虚函数属性)，但是该种写法不是很规范，不建议这样使用，但在笔试考试选择题中，经常会故意埋这个坑，判断是否构成多态。
#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 - 打折" << endl;
}
};
void Func(Person* ptr)
{
// 这⾥可以看到虽然都是 Person 指针 Ptr 在调⽤ BuyTicket
// 但是跟 ptr 没关系，⽽是由 ptr 指向的对象决定的。
ptr->BuyTicket();
}
int main()
{
Person ps;
Student st;
Func(&ps);
Func(&st);
return 0;
}
#include <iostream>
using namespace std;
class Animal
{
public:
virtual void talk() const
{
;
}
};
class Dog : public Animal
{
public:
virtual void talk() const
{
cout << "汪" << endl;
}
};
class Cat : public Animal
{
public:
virtual void talk() const
{
cout << "喵" << endl;
}
};
void letsHear(const Animal& animal)
{
animal.talk();
}
int main()
{
Cat cat;
Dog dog;
letsHear(cat);
letsHear(dog);
return 0;
}
4. 多态场景的一个选择题
以下程序输出结果为：B->1
在#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
virtual void func(int val = 1)
{
cout << "A->" << val << endl;
}
virtual void test()
{
func();
}
};
class B : public A
{
public:
void func(int val = 0)
{
cout << "B->" << val << endl;
}
};
int main(int argc, char* argv[])
{
// 调用 A 的 test，传的是 A 的 this 指针，
// 调用 A 的 func 函数(包含 A 函数中的缺省值)，
// 但对象是 B，执行 B 的 func 函数内容
B* p = new B;
p->test();
return 0;
}
5. 虚函数重写的一些其他问题
协变
派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型不同。即基类虚函数返回基类对象的指针或者引用，派生类虚函数返回派生类对象的指针或者引用时，称为协变。
#include <iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:
// 返回基类对象的指针
virtual Person* BuyTicket()
{
cout << "买票 - 全价" << endl;
return this;
}
};
class Student : public Person
{
public:
// 返回派生类对象的指针
virtual Student* BuyTicket()
{
cout << "买票 - 打折" << endl;
return this;
}
};
void Func(Person* ptr)
{
ptr->BuyTicket();
}
int main()
{
Person ps;
Student st;
Func(&ps);
Func(&st);
return 0;
}
析构函数的重写
基类的析构函数为虚函数，此时派生类析构函数只要定义，无论是否加 virtual 关键字，都与基类的析构函数构成重写，虽然基类与派生类析构函数名字不同看起来不符合重写的规则，实际上编译器对析构函数的名称做了特殊处理，编译后析构函数的名称统一处理成 destructor()，所以基类的析构函数加了 virtual 修饰，派生类的析构函数就构成重写。
下面的代码可以看到，如果 ~A()，不加 virtual，那么 delete p2 时只调用的 A 的析构函数，没有调用 B 的析构函数，就会导致内存泄漏问题，因为 ~B() 中在释放资源。
注意：这个问题面试中经常考察，下面的样例展示了为什么基类中的析构函数建议设计为虚函数。
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
virtual ~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
virtual ~B()
{
cout << "~B()->delete:" << _p << endl;
delete _p;
}
protected:
int* _p = new int[10];
};
// 只有派⽣类 Student 的析构函数重写了 Person 的析构函数，
// 下⾯的 delete 对象调⽤析构函数，才能构成多态，
// 这样才能保证 p1 和 p2 指向的对象正确的调⽤析构函数。
int main()
{
A* p1 = new A;
A* p2 = new B;
delete p1;
delete p2;
return 0;
}
6. override 和 final 关键字
从上面可以看出，C++ 对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，比如函数名写错参数写错等导致无法构成重载，而这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运行时没有得到预期结果才来 debug 会得不偿失，因此 C++11 提供了 override，可以帮助用户检测派生类的虚函数是否构成重写。如果不想让派生类重写基类的这个虚函数，那么可以用 final 去修饰基类的虚函数。
#include <iostream>
using namespace std;
class Car
{
public:
virtual void Dirve()
{
;
}
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive() override // 不能重写基类虚函数就报错
{
cout << "Benz - 舒适" << endl;
}
};
int main()
{
return 0;
}
#include <iostream>
using namespace std;
class Car
{
public:
virtual void Drive() final // 在基类虚函数后加 final 就不能重写它
{
;
}
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive()
{
cout << "Benz - 舒适" << endl;
}
};
int main()
{
return 0;
}
7. 重载/重写/隐藏的对比
三、纯虚函数和抽象类
在虚函数的后面写上 = 0 ，则这个函数为纯虚函数，纯虚函数不需要定义实现(实现没啥意义因为要被派生类重写，但是语法上可以实现)，只要声明即可。包含纯虚函数的类叫做抽象类，抽象类不能实例化出对象，如果派生类继承后不重写纯虚函数，那么派生类也是抽象类。纯虚函数某种程度上强制了派生类重写虚函数，因为不重写就不能实例化对象。
#include <iostream>
using namespace std;
class Car
{
public:
virtual void Drive() = 0;
};
class Benz : public Car
{
public:
virtual void Drive() override
{
cout << "Benz - 舒适" << endl;
}
};
class BMW : public Car
{
public:
virtual void Drive() override
{
cout << "BMW - 操控" << endl;
}
};
int main()
{
// 编译报错，⽆法实例化抽象类
// Car car;
Car* pBenz = new Benz;
pBenz->Drive();
delete pBenz;
Car* pBMW = new BMW;
pBMW->Drive();
delete pBMW;
return 0;
}
四、多态的原理
虚函数表指针
下面编译的 32 位下程序的运行结果是 12 ：
#include <iostream>
using namespace std;
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
protected:
int _b = 1;
char _ch = 'x';
};
int main()
{
Base b;
cout << sizeof(b) << endl;
return 0;
}
除了 _b 和 _ch 成员，还多一个 __vfptr 放在对象的前面(注意有些平台可能会放到对象的最后面，这个跟平台有关)，对象中的这个指针叫做虚函数表指针( v 代表 virtual，f 代表 function， ptr 代表 pointer)，也就是 函数 2 级指针。一个含有虚函数的类中都至少都有一个虚函数表指针，用来整合这个类里面所有虚函数的地址。虚函数表也简称虚表。
多态的原理
1. 多态是如何实现的
从底层的角度 Func 函数中 ptr->BuyTicket()，是如何调用的呢？通过下面测试可以看到，满足多态条件后，底层不再是编译时通过调用对象确定函数的地址，而是运行时到指向的对象的虚表中确定对应的虚函数的地址，这样实现了指针或引用指向基类就调用基类的虚函数，指向派生类就调用派生类对应的虚函数。
#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 - 打折" << endl;
}
private:
int _id;
};
class Soldier : public Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "买票 - 优先" << endl;
}
private:
string _codename;
};
class Test : public Person
{
;
};
void Func(Person* ptr)
{
ptr->BuyTicket();
}
int main()
{
// 多态不仅发⽣在一个派⽣类对象，
// 多个派⽣类继承基类，重写虚函数后
// 多态也会发⽣在多个派⽣类之间。
Person psr;
Test tes;
Student stu;
Soldier sol;
Func(&psr);
Func(&tes);
Func(&stu);
Func(&sol);
return 0;
}
Test、Student、Soldier 分别继承 Person。Test 没有自己实现 BuyTicket 函数，Student 和 Soldier 实现了各自的 BuyTicket 。则调用 ptr->BuyTicket() 时，Test 和 Person 执行的是 Person::BuyTicket() 函数，Student 执行的是 Student::BuyTicket()，Soldier 执行的是 Soldier::BuyTicket()。
在 VS2022 调试中可以清楚看到这一过程：
①
psr 类型为 Person，虚表中存储的第一个元素就是 Person::BuyTicket 函数的地址。
②
tes 类型为 Test，但自己没有重写 BuyTicket 函数，它的虚表中存储的第一个元素是 Person::BuyTicket 函数的地址。
③
stu 类型为 Student，自己重写了 BuyTicket 函数，它的虚表中存储的第一个元素是 Student::BuyTicket 函数的地址。
④
sol 类型为 Soldier，自己重写了 BuyTicket 函数，它的虚表中存储的第一个元素是 Soldier::BuyTicket 函数的地址。
最后执行 ptr->BuyTicket() 函数时，调用的是对象的成员虚表中对应的虚函数，则运行结果显然为：
2. 动态绑定与静态绑定的确切定义
对不满足多态条件(指针或者引用 + 调用虚函数)的函数调用是在编译时绑定，也就是编译时确定调用函数的地址，叫做静态绑定。
满足多态条件的函数调用是在运行时绑定，也就是在运行时到指向对象的虚函数表中找到调用函数的地址，也就叫做动态绑定。
3. 虚函数表
基类对象的虚函数表中存放基类所有虚函数的地址。
派生类由两部分构成，继承下来的基类和自己的成员，一般情况下，继承下来的基类中有虚函数表指针，自己就不会再生成虚函数表指针。但是要注意派生类继承下来的基类部分虚函数表指针和基类对象的虚函数表指针不是同一个，就像基类对象的成员和派生类对象中的基类对象成员也是独立的。
派生类中重写的基类的虚函数，派生类的虚函数表中对应的虚函数就会被覆盖成派生类重写的虚函数地址。
派生类的虚函数表中包含：
-
基类的虚函数地址；
-
派生类重写基类虚函数的函数地址；
-
派生类自己的虚函数地址。
虚函数表本质是一个存储虚函数指针的指针数组（但是 VS2022 实现时是用 void** 强转而成），一般情况这个数组最后面放了一个 0x00000000(这是32位的地址长度) 标记。(这个 C++ 并没有进行规定，各个编译器自行定义的，VS2022 会在大部分情况后面放个 0x00000000 标记)
虚函数存放在哪的？虚函数和普通函数一样的，编译好后是一段指令，都是存在代码段的，只是虚函数的地址又存到了虚表中。
虚函数表存放在哪的？这个问题严格说并没有标准答案， C++ 标准并没有规定，我们在不同环境运行下面的代码可以对比验证一下。
#include <iostream>
using namespace std;
class Base
{
public:
virtual void func1()
{
cout << "Base::func1" << endl;
}
virtual void func2()
{
cout << "Base::func2" << endl;
}
void func5()
{
cout << "Base::func5" << endl;
}
protected:
int _a = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
// 重写基类的func1
virtual void func1() override
{
cout << "Derive::func1" << endl;
}
virtual void func2() override
{
cout << "Derive::func1" << endl;
}
void func4()
{
cout << "Derive::func4" << endl;
}
protected:
int _b = 2;
};
void test1()
{
int i = 0;
static int j = 1;
int* p1 = new int;
const char* p2 = "xxxxxxxx";
Base b;
Derive d;
Base* p3 = &b;
Derive* p4 = &d;
printf("栈： %p\n", &i);
printf("静态区： %p\n", &j);
printf("堆： %p\n", p1);
printf("常量区： %p\n", p2);
printf("Person 虚表地址： %p\n", *(unsigned long long*)p3);
printf("Student 虚表地址： %p\n", *(unsigned long long*)p4);
printf("虚函数地址： %p\n", &Base::func1);
printf("普通函数地址： %p\n", &Base::func5);
}
int main()
{
test1();
return 0;
}
在 VS2022 下是存储在代码段(常量区)
在 Dev C++ 5.9.2 中似乎是存储在常量区
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