【【高级程序设计语言C++】C++多态的概念及原理

news2024/12/28 20:00:04

  • 1. 多态的概念
  • 2. 多态的定义及实现
    • 2.1. 多态的条件
    • 2.2. 虚函数
    • 2.3. 虚函数的重写
    • 2.4. 虚函数重写的两个例外
    • 2.5. C++11的override和final
    • 2.6. 重载、重写、重定义的对比
  • 3. 抽象类
    • 3.1. 概念
    • 3.2. 实现继承和接口继承的对比
  • 4. 多态的原理
    • 4.1. 虚函数表
    • 4.2. 多态原理
    • 4.3. 动态绑定和静态绑定
    • 4.4. 多继承的虚表

1. 多态的概念

在C++中，多态性是面向对象编程的一个重要概念，它允许不同的对象对同一个消息做出不同的响应。多态性使得程序具有灵活性和可扩展性，能够根据具体的对象类型来选择不同的行为。

C++中的多态性通过虚函数（Virtual Function）和基类指针或引用来实现。虚函数是在基类中声明为虚函数的函数，它可以在派生类中重写（覆盖）以实现特定的行为。基类指针或引用可以指向派生类的对象，并通过虚函数来调用相应的方法。

简单的说就是不同的对象做相同的事，会有不同的行为。举个例子，有人去买票，假如他是个普通老百姓，那么他买票就得是全价。假如他是学生，拿着学生证买票，那么他买票就半价。假如他是个军人，那么他买票就可以优先。

下面是一个简单的示例，说明C++中多态性的概念：

class Shape
{
public:
	virtual void draw()
	{
		cout << "draw a Shape" << endl;
	}
};
class Circle : public Shape
{
public:
	virtual void draw()
	{
		cout << "draw a Circle" << endl;
	}
};
class Rectangle : public Shape
{
public:
	virtual void draw()
	{
		cout << "draw a Rectangle" << endl;
	}
};
int main()
{
	Shape* s1 = new Circle();
	Shape* s2 = new Rectangle();
	s1->draw();
	s2->draw();
	Shape* s3 = new Shape();
	s3->draw();
	return 0;
}

在上面的示例中，shape1和shape2是基类指针，分别指向Circle和Rectangle的对象。当调用shape1->draw()时，实际上调用的是Circle类中重写的draw()函数，同样，当调用shape2->draw()时，实际上调用的Rectangle类中重写的draw()函数。

2. 多态的定义及实现

2.1. 多态的条件

多态是在不同继承关系的类对象，去调用同一函数，产生了不同的行为。比如Circle继承了Shape。Shape对象画图形，Circle对象画圆。

在继承中要实现多态的两个条件：

  1. 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
  2. 被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对基类的虚函数进行重写

2.2. 虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

class Shape
{
public:
	virtual void draw()
	{
		cout << "draw a Shape" << endl;
	}
};

2.3. 虚函数的重写

虚函数的重写(覆盖)：子类中有一个跟父类完全相同的虚函数(即子类虚函数与父类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)，称子类的虚函数重写了父类的虚函数。

class Shape
{
public:
	virtual void draw()
	{
		cout << "draw a Shape" << endl;
	}
};
class Circle : public Shape
{
public:
	//void draw()    //这样省略virtual的写法也是允许的
	virtual void draw()
	{
		cout << "draw a Circle" << endl;
	}
};
class Rectangle : public Shape
{
public:
	//void draw()   //只要父类的虚函数写了virtual关键字，子类继承下来都可以不写
	virtual void draw()
	{
		cout << "draw a Rectangle" << endl;
	}
};

2.4. 虚函数重写的两个例外

虚函数的重写/覆盖有三同：返回值相同，参数相同，函数名相同。

但是有两个例外。

  1. 协变

子类重写父类的虚函数时，返回值可以不相同，但是子类虚函数的返回值和父类虚函数的返回值要构成父子类关系，且返回的类型必须是父类的指针或者引用。

class A{};
class B : public A {};
class Shape
{
public:
	virtual A* draw()
	{
		cout << "draw a Shape" << endl;
	}
};
class Circle : public Shape
{
public:
	virtual B* draw()
	{
		cout << "draw a Circle" << endl;
	}
};
  1. 析构函数的重写

假如在父类的析构函数加上virtual关键字，那么即使子类的析构函数不加virtual关键字，此时子类和父类的析构函数也会形成重写，即使函数名不相同。这是因为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字统一变成了destructor。

class Shape
{
public:
	virtual void draw()
	{
		cout << "draw a Shape" << endl;
	}
	virtual ~Shape()
	{
		cout << "delete Shape()" << endl;
	}
};
class Circle : public Shape
{
public:
	virtual void draw()
	{
		cout << "draw a Circle" << endl;
	}
	~Circle()
	{
		cout << "delete Circle()" << endl;
	}

};
int main()
{
	Shape* s1 = new Shape();
	Shape* s2 = new Circle();
	delete s1;
	delete s2;
	return 0;
}

输出结果：

img

2.5. C++11的override和final

  1. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写
class Shape
{
public:
	virtual void draw () final
	{
		cout << "draw a Shape" << endl;
	}
};
class Circle : public Shape
{
public:
	virtual void draw()
	{
		cout << "draw a Circle" << endl;
	}

};

报错结果：

img

  1. override 检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有重写编译报错。
class Shape
{
public:
	virtual void draw ()
	{
		cout << "draw a Shape" << endl;
	}
};
class Circle : public Shape
{
public:
	virtual void draw() override
	{
		cout << "draw a Circle" << endl;
	}

};

2.6. 重载、重写、重定义的对比

  1. 重载是同一作用域，函数名相同，参数不同
  2. 重写（Override）是指派生类中重新定义（覆盖）基类中已经声明为虚函数的函数
  3. 重定义（Redeclaration）是指在派生类中重新定义（覆盖）基类中的函数，但不使用virtual关键字

3. 抽象类

3.1. 概念

在C++中，抽象类（Abstract Class）是指包含至少一个纯虚函数的类。纯虚函数是通过在函数声明末尾添加= 0来声明的，表示该函数没有实现，需要在派生类中进行重写。

**抽象类不能被实例化，只能作为基类来派生其他类。**它的主要目的是为了提供一个通用的接口，定义了一组纯虚函数，要求派生类必须实现这些函数。抽象类的存在可以约束派生类的行为，确保派生类具有某些特定的功能或行为。

class Shape
{
public:
	virtual void draw() = 0{}
};
class Circle : public Shape
{
public:
	virtual void draw() 
	{
		cout << "draw a Circle" << endl;
	}
};
class Rectangle : public Shape
{
public:
	virtual void draw()
	{
		cout << "draw a Rectangle" << endl;
	}
};
int main()
{
	Shape* s1 = new Circle;
	Shape* s2 = new Rectangle;
	s1->draw();
	s2->draw();
	return 0;
}

3.2. 实现继承和接口继承的对比

在C++中，实现继承（Implementation Inheritance）和接口继承（Interface Inheritance）是两种不同的继承方式。

  1. 实现继承（也称为类继承）：实现继承是指派生类继承基类的成员和实现。派生类可以使用基类中的成员变量和成员函数，并且可以重写基类中的虚函数。实现继承通过使用关键字public、protected或private来指定基类的访问权限。

示例：

class Base {
public:
    int publicVar;
    void publicFunc();
protected:
    int protectedVar;
    void protectedFunc();
private:
    int privateVar;
    void privateFunc();
};

class Derived : public Base {
    // 派生类继承了Base类的成员和实现
};

在上面的示例中，派生类Derived通过public关键字继承了Base类的成员和实现。这意味着Derived类可以访问Base类的public成员和实现，但无法直接访问Base类的protected和private成员。

  1. 接口继承：接口继承是指派生类只继承基类的纯虚函数，而不继承成员变量或实现。接口继承通常用于定义一组接口规范，要求派生类实现这些接口。接口继承通过使用关键字public来指定基类的访问权限，并将基类中的成员函数声明为纯虚函数。

示例：

class Interface {
public:
    virtual void pureVirtualFunc() = 0;
};

class Derived : public Interface {
public:
    void pureVirtualFunc() override {
        // 派生类实现接口中的纯虚函数
    }
};

在上面的示例中，Interface类是一个接口类，它只包含一个纯虚函数pureVirtualFunc()。派生类Derived通过public关键字继承了Interface类，并实现了接口中的纯虚函数。

接口继承的目的是为了实现多态性，通过基类指针或引用来操作派生类对象，实现统一的接口调用。接口继承也可以用于定义一组接口规范，要求派生类实现这些接口。

4. 多态的原理

4.1. 虚函数表

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
};
int main()
{
	Base b;
	int num = sizeof(b);
	cout << num << endl;
	return 0;
}

输出结果：

img

一个类的大小，是计算成员变量的大小，然后根据内存对齐来确定的。但是Base类中只有一个int，大小应该为4字节，但是为什么会是8呢？

通过调试，可以看到Base类中不仅只有_b一个成员，还有一个指针。

img

vs2019的平台这里默认是32位的，所以指针的大小是4个字节，再加上原来的成员变量，大小就是8个字节。

其中这里多出来的_vfptr成为虚函数表，是一个函数指针数组。

4.2. 多态原理

class Base
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "Base::func()" << endl;
	}
	int _a;
};
class Derived : public Base
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "Derived::func()" << endl;
	}
	int _b;
};

int main()
{
	Base b;
	Derived d;
	return 0;
}

通过调试可以发现，继承之间的关系和多态的原理如下图：

img

img

_vfptr中存放的就是Base的虚函数的函数指针。

img

那么当Derived继承了Base，也会继承这个虚表。

img

但是这两个虚表的地址是不一样的，内容也有所不同

img

img

但也有相同的内容，里面有一个是Base的函数指针，另一个却变成了Derived的函数指针。那么就证明了Derived继承Base，也会继承了虚表，此时的虚表是由Base的虚表拷贝一份到Derived的虚表，如果Derived重写了基类中的某个函数，那么就会覆盖Derived虚表中的函数指针。

img

4.3. 动态绑定和静态绑定

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; }
};
void Func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}
int main()
{
	Person Mike;
	Func(Mike);
	Student Johnson;
	Func(Johnson);
	return 0;
}

输出结果：

img

img

基类指针或引用可以指向派生类的对象，并根据对象的实际类型来动态地选择调用相应的虚函数。这样，在运行时可以根据对象的实际类型来调用正确的函数，实现多态性。如果直接使用基类对象调用虚函数，将无法实现多态性，只能调用基类中的函数。成为动态绑定，因为他是在运行的时候，然后根据对象的类型来确定使用哪个函数，完成多态。

C++的静态绑定是指在编译时确定函数调用的具体实现。它是通过函数的静态类型来确定调用哪个函数的过程。

4.4. 多继承的虚表

class Base1 {
public:
	virtual void func1() {cout << "Base1::func1" << endl;}
	virtual void func2() {cout << "Base1::func2" << endl;}
private:
	int b1;
};
class Base2 {
public:
	virtual void func1() {cout << "Base2::func1" << endl;}
	virtual void func2() {cout << "Base2::func2" << endl;}
private:
	int b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:
    virtual void func1() {cout << "Derive::func1" << endl;}
    virtual void func3() {cout << "Derive::func3" << endl;}
private:
    int d1;
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
	cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
    for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
    {
        printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
        VFPTR f = vTable[i];
        f();
    }
	cout << endl;
}
int main()
{
    Derive d;
    VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
    PrintVTable(vTableb1);
    VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d+sizeof(Base1)));
    PrintVTable(vTableb2);
    return 0;
}

运行结果：

img

img

通过上图可以知道，子类重写了的虚函数的函数地址会覆盖父类原来虚函数的函数地址，而子类没有重写的虚函数会存放在第一个类的虚表当中。

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