C++类基础（十四）

news2024/11/24 18:44:51

类的继承——虚函数
● 通过虚函数与引用（指针）实现动态绑定
– 使用关键字 virtual 引入
– 非静态、非构造函数可声明为虚函数
– 虚函数会引入vtable结构
在这里插入图片描述

● dynamic_cast

static_cast, reinterpret_cast, const_cast在编译期发生。
dynamic_cast在运行期发生，即判断动态类型满不满足转换条件，如果不满足，不发生转换。运行开销大。

struct Base
{
    virtual void baseMethod() {} //关键字virtual引入了vtable结构，vtable引入了typeinfo
    int baseMember;
};
struct Derive : Base
{
    virtual void deriveMethod() {} //关键字virtual引入了vtable结构，vtable引入了typeinfo
    int deriveMember;
};
struct Derive2 : Derive
{
    virtual void derive2Method() {} //关键字virtual引入了vtable结构，vtable引入了typeinfo
    int derive2Member;
};
int main()
{
    Derive2 d;
    Base& b = d;
    Base* ptr = &d;

    Derive2& d2 = dynamic_cast<Derive2&>(b); //OK，因为typeinfo可以存储动态类型的信息
    Derive2* ptr2 = dynamic_cast<Derive2*>(ptr); //OK，因为typeinfo可以存储动态类型的信息
    return 0;
}

struct Base
{
    //virtual void baseMethod() {}
    int baseMember;
};
struct Derive : Base
{
    //virtual void deriveMethod() {}
    int deriveMember;
};
struct Derive2 : Derive
{
    //virtual void derive2Method() {}
    int derive2Member;
};
int main()
{
    Derive2 d;
    Base& b = d;
    Base* ptr = &d;

    Derive2& d2 = dynamic_cast<Derive2&>(b); //因为没有关键字virtual的非静态、非构造函数，所以不能引入vtable，进而不能引入typeinfo，Error: 'Base' is not polymorphic
    Derive2* ptr2 = dynamic_cast<Derive2*>(ptr); //同上，Error: 'Base' is not polymorphic
    return 0;
}

struct Base
{
    virtual void baseMethod() {}
    int baseMember;
};
struct Derive : Base
{
    //virtual void deriveMethod() {}
    int deriveMember;
};
struct Derive2 : Derive
{
    //virtual void derive2Method() {}
    int derive2Member;
};
int main()
{
    Derive2 d;
    Base& b = d;
    Base* ptr = &d;

    Derive2& d2 = dynamic_cast<Derive2&>(b); //只要基类中有一个virtual函数就可以
    Derive2* ptr2 = dynamic_cast<Derive2*>(ptr); //同上
    return 0;
}

struct Base
{
    virtual void baseMethod() {}
    int baseMember;
};
struct Derive : Base
{
    virtual void deriveMethod() {}
    int deriveMember;
};
struct Derive2 : Derive
{
    virtual void derive2Method() {}
    int derive2Member;
};
int main()
{
    Base b;
    Base& bb = b; //#3: 基类类型的引用bb引用基类对象b
    Base* ptrb = &b; //#1: 基类类型的指针ptrb指向基类对象b
    std::cout << dynamic_cast<Derive2*>(ptrb) << std::endl; //如果#1，将ptrb用dynamic_cast转换为派生类类型的指针，dynamic_cast会返回空指针
    //std::cout << dynamic_cast<Derive2&>(bb) << std::endl; //如果#3，将bb用dynamic_cast转换为派生类类型的引用，dynamic_cast会抛出异常
    Derive2 d2;
    Base& bd = d2; //#4: 基类类型的引用bb引用派生类对象d2
    Base* ptrd = &d2; //#2: 基类类型的指针ptrd指向派生类对象d2
    Derive2* d2ptr = dynamic_cast<Derive2*>(ptrd);
    Derive2& d2ref = dynamic_cast<Derive2&>(bd);
    std::cout << std::is_same_v<decltype(d2ptr), Derive2*> <<std::endl; //如果#2,将ptrd用dynamic_cast转换为派生类类型的指针，dynamic_cast会转换成功返回派生类类型的指针
    std::cout << std::is_same_v<decltype(d2ref), Derive2&> <<std::endl; //如果#4,将bd用dynamic_cast转换为派生类类型的引用，dynamic_cast会转换成功返回派生类类型的引用
    return 0;
}

在这里插入图片描述

● 虚函数在基类中的定义
– 引入缺省逻辑
– 可以通过 = 0 声明纯虚函数，相应地构造抽象基类
● 虚函数在派生类中的重写（ override ）

struct Base
{
    void fun() //无virtual关键字
    {
        std::cout << "void Base::fun()\n";
    }
};
struct Derive : Base
{
    void fun()
    {
        std::cout << "void Derive::fun()\n";
    }
};
int main()
{
    Derive d;
    d.fun(); //调用Derive::fun()

    Base& b = d;
    b.fun(); //调用Base::fun()
    return 0;
}

在这里插入图片描述

struct Base
{
    virtual void fun() //有virtual关键字
    {
        std::cout << "virtual void Base::fun()\n";
    }
};
struct Derive : Base
{
    void fun()
    {
        std::cout << "void Derive::fun()\n";
    }
};
int main()
{
    Derive d;
    d.fun(); //调用Derive::fun()

    Base& b = d;
    b.fun(); //调用Derive::fun()
    return 0;
}

在这里插入图片描述

struct Base
{
    virtual void fun() //有virtual关键字
    {
        std::cout << "virtual void Base::fun()\n";
    }
};
struct Derive : Base
{
    void fun() //函数签名与基类中的虚函数void fun()相同，是后者在派生类中的重写（override）
    {
        std::cout << "void Derive::fun()\n";
    }
};
void proc(Base& b) //传入的参数类型不一样
{
    b.fun(); //内部逻辑会表现出不同的行为，称为动态多态（也叫运行期多态（即通过动态类型实现的运行期的多态）），其基础就是virtual
}
int main()
{
    Base b; //b的静态类型和动态类型都是Base
    proc(b); //调用Base::fun()

    Derive d; //动态类型是Derive
    proc(d); //调用Derive::fun()
    return 0;
}

在这里插入图片描述

– 函数签名保持不变（返回类型可以是原始返回指针 / 引用类型的派生指针 / 引用类型）

struct Base2 {};
struct Derive2 : Base2 {};
struct Base
{
    virtual Base2* fun()
    {
        std::cout << "virtual Base2* Base::fun()\n";
        static Base2 b2;
        return &b2;
    }
};
struct Derive : Base
{
    Derive2* fun() //即使返回类型不同也构成重写
    //Derive2& fun() //Error: Virtual function 'fun' has a different return type ('Derive2 &') than the function it overrides (which has return type 'Base2 *')
    {
        std::cout << "Derive2* Derive::fun()\n";
        static Derive2 d2;
        return &d2;
    }
};
void proc(Base& b)
{
    b.fun();
}
int main()
{
    Base b;
    proc(b); //OK

    Derive d;
    proc(d); //OK
    return 0;
}

在这里插入图片描述

struct Base2 {};
struct Derive2 : Base2 {};
struct Base
{
    virtual void fun()
    {
        std::cout << "virtual void Base::fun()\n";
    }
};
struct Derive : Base
{
    void fun(int) //参数列表不同，与继承自Base中的virtual void fun()构成重载
    //int fun() //Error: Virtual function 'fun' has a different return type ('int') than the function it overrides (which has return type 'void')
    {
        std::cout << "void Derive::fun(int)\n";
        //return 3;
    }
};
void proc(Base& b)
{
    b.fun();
}
int main()
{
    Base b;
    proc(b); //OK

    Derive d;
    proc(d); //OK
    return 0;
}

在这里插入图片描述

struct Base
{
    virtual void fun() = 0; //纯虚函数，不需要给出一个实现，在vtable指向的地方开了一个槽但是并不指向任何的东西
    //例如:triangle继承自shape，right triangle继承自triangle，triangle和right triangle都可以画出形状，但不能画出shape的形状
};
struct Derive : Base
{
    void fun()
    {
        std::cout << "void Derive::fun()\n";
    }
};
void proc(Base& b)
{
    b.fun();
}
int main()
{
    Derive d;
    Base* ptr = &d;
    Base& ref = d;
    proc(*ptr); //OK
    proc(ref); //OK
    return 0;
}

在这里插入图片描述

struct Base
{
    virtual void fun() = 0;
};
struct Derive : Base
{
    void fun()
    {
        std::cout << "void Derive::fun()\n";
    }
};
struct Derive2 : Base
{
    //Derive2中并没有重写基类中的virtual void fun() = 0，因此Derive2也是一个抽象基类
};

void proc(Base& b)
{
    b.fun();
}
int main()
{
    Derive2 d; //Error: Variable type 'Derive2' is an abstract class
    return 0;
}

struct Base
{
    virtual void fun() = 0;
};
struct Derive : Base
{
    void fun() //重写
    {
        std::cout << "void Derive::fun()\n";
    }
};
struct Derive2 : Derive
{
    //Derive2的公有成员中有继承自Derive的void fun()，不是抽象基类
};

void ptrProc(Base* b)
{
    b->fun();
}
void refProc(Base& b)
{
    b.fun();
}
int main()
{
    Derive2 d;
    ptrProc(&d); //OK
    refProc(d); //OK
    return 0;
}

在这里插入图片描述

struct Base
{
    virtual void fun() = 0
    {
            
    } //原因尚待求索，Semantic Issue: Initializer on function does not look like a pure-specifier
};

struct Base
{
    virtual void fun() = 0;
};
void Base::fun() //应用场景非常少，但技术上是可以的，但并不改变Base是一个抽象基类，所以不能定义Base类对象
{
    std::cout << "Defination of virtual void Base::fun() = 0 out of class OK\n";
}
struct Derive : Base
{
    void fun()
    {
        std::cout << "void Derive::fun()\n";
    }
    //相应地，如果派生类中没有定义重写逻辑，那派生类仍是一个抽象基类
};
void ptrProc(Base* b)
{
    b->fun();
}
void refProc(Base& b)
{
    b.fun();
}
int main()
{
    Derive d;
    ptrProc(&d); //OK
    refProc(d); //OK
    return 0;
}

在这里插入图片描述

struct Base
{
    virtual void fun() = 0;
};
void Base::fun() //纯虚函数的一些辅助逻辑
{
    std::cout << "Defination of virtual void Base::fun() = 0 out of class OK\n";
}
struct Derive : Base
{
    void fun()
    {
        Base::fun(); //显式调用
        std::cout << "void Derive::fun()\n";
    }
};
void ptrProc(Base* b)
{
    b->fun();
}
void refProc(Base& b)
{
    b.fun();
}
int main()
{
    Derive d;
    ptrProc(&d); //OK
    refProc(d); //OK
    return 0;
}

在这里插入图片描述

– 虚函数特性保持不变

struct Base
{
    virtual void fun()
    {
        std::cout << "virtual void fun()\n";
    }
};
struct Derive : Base
{
    void fun() //无virtual关键字
    {
        std::cout << "void Derive::fun()\n";
    }
};
struct Derive2 : Derive
{
    void fun() //无virtual关键字
    {
        std::cout << "void Derive2::fun()\n";
    }
};
void ptrProc(Base* b)
{
    b->fun();
}
void refProc(Base& b)
{
    b.fun();
}
int main()
{
    Base b;
    ptrProc(&b);
    refProc(b);
    std::cout << '\n';

    Derive d;
    ptrProc(&d); //调用void Derive::fun()
    refProc(d); //同上
    std::cout << '\n';

    Derive2 d2;
    ptrProc(&d2); //调用void Derive::fun()
    refProc(d2); //同上
    std::cout << "\nTHIS IS DYNAMIC POLYMORPHISM (unable to std::cout Chinese in QT)\n";
    return 0;
}

在这里插入图片描述

– override 关键字

struct Base
{
    virtual void fun()
    {
        std::cout << "virtual void fun()\n";
    }
};
struct Derive : Base
{
    void fun(int) override //编译器会报错，方便代码调试 since C++11，Error: Non-virtual member function marked 'override' hides virtual member function
    {
        std::cout << "void Derive::fun()\n";
    }
};

参考
深蓝学院： C++基础与深度解析
Virtual Function and Multilevel Inheritance

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