C++中的多态-平芜编程栈

文章目录

前言
一、多态的概念
二、多态的定义以及实现
三、抽象类
四、多态的原理
- 1. 虚函数表
- 2. 多态的原理
- 3. 动态绑定与静态绑定

前言

本文中的代码都是在X64环境下编译运行的，涉及的指针都是8bytes，切换其他平台需要考虑指针问题。

一、多态的概念

多态是面向对象编程的三大特性之一（封装、继承、多态），指同一个操作作用于不同的对象，可以有不同的解释，产生不同的执行结果。
多态分为两类：
编译时多态（静态多态）：函数重载、运算符重载
运行时多态（动态多态）：通过虚函数实现

二、多态的定义以及实现

多态的构成条件：
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Student继承了Person。Person对象买票全价，Student对象买票半价。
那么在继承中要构成多态还有两个条件：
a. . 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
b. 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
虚函数：
虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

classPerson{public:virtualvoidBuyTicket(){cout<<"买票-全价"<<endl;}};

虚函数的重写
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)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。

classPerson{public:virtualvoidBuyTicket(){cout<<"买票-全价"<<endl;}};classStudent:publicPerson{public:virtualvoidBuyTicket(){cout<<"买票-半价"<<endl;}voidFunc(Person&p){p.BuyTicket();}intmain(){Person ps;Student st;Func(ps);Func(st);return0;}

注意：虚函数重写的两个例外：

协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)
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。

classA{};classB:publicA{};classPerson{public:virtualA*f(){returnnewA;}};classStudent:publicPerson{public:virtualB*f(){returnnewB;}};

析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)
如果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，看起来违背了重写的规则，但可以理解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称统一处理成destructor。

//下⾯的代码我们可以看到，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。classA{public:virtual~A(){cout<<"~A()"<<endl;}};classB:publicA{public:~B(){cout<<"~B()->delete:"<<_p<<endl;delete_p;}protected:int*_p=newint[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，才能保证p1和p2指向的对象正确的调⽤析构函数。intmain(){A*p1=newA;A*p2=newB;deletep1;deletep2;return0;}

C++11提供了override和final两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。

final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

classCar{public:virtualvoidDrive()final{}};classBenz:publicCar{public:virtualvoidDrive(){cout<<"Benz-舒适"<<endl;}};

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。

classCar{public:virtualvoidDrive(){}};classBenz:publicCar{public:virtualvoidDrive()override{cout<<"Benz-舒适"<<endl;}};

重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

三、抽象类

概念
在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫接口类），抽象类不能实例化出对象。派生类继承后也不能实例化出对象，只有重写纯虚函数，派生类才能实例化出对象。

classCar{public:virtualvoidDrive()=0;};classBenz:publicCar//纯虚函数也会被继承下来，重写虚函数后才可以被实例化{public:virtualvoidDrive(){cout<<"Benz-舒适"<<endl;}};classBMW:publicCar{public:virtualvoidDrive(){cout<<"BMW-操控"<<endl;}};voidTest(){Car*pBenz=newBenz;pBenz->Drive();Car*pBMW=newBMW;pBMW->Drive();}

接口继承和实现继承
普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，可以使用函数，继承的是函数的实现。虚函数的继承是一种接口继承，派生类继承的是基类虚函数的接口，目的是为了重写，达成多态，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

四、多态的原理

1. 虚函数表

classBase{public:virtualvoidFunc1(){cout<<"Base:"<<"Func1()"<<endl;}protected:int_b=1;char_ch='x';};

sizeof(Base)是多少？
通过观察测试我们发现b对象是16bytes，除了_b _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)，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual，f代表function)。一个含有虚函数的类中都至少都有一个虚函数表指针，因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表。

接着分析：
针对上面的代码我们做出以下改造
我们增加一个派生类Derive去继承Base
Derive中重写Func1
Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3

classBase{public:virtualvoidFunc1(){cout<<"Base:"<<"Func1()"<<endl;}virtualvoidFunc2(){cout<<"Func2()"<<endl;}voidFunc3(){cout<<"Func3()"<<endl;}protected:int_b=1;char_ch='x';};classDerive:publicBase{public:virtualvoidFunc1(){cout<<"Derive:"<<"Func1()"<<endl;}private:int_d=2;};voidtest(){Base b;Derive d;}intmain(){test();return0;}

通过观察和测试：

派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员，虚表指针也就是存在部分的另一部分是自己的成员。
基类b对象和派生类d对象虚表是不一样的，这里我们发现Func1完成了重写，所以d的虚表中存的是重写的Derive::Func1，所以虚函数的重写也叫作覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。
另外Func2继承下来后是虚函数，所以放进了虚表，Func3也继承下来了，但是不是虚函数，所以不会放进虚表。
虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况这个数组最后面放了一个nullptr。
总结一下派生类的虚表生成：a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中 b.如果派生类重写了基类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数 c.派生类自己新增加的虚函数按其在派生类中的声明次序增加到派生类虚表的最后。
虚函数存在哪的？虚表存在哪的？注意虚表存的是虚函数指针，不是虚函数，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。那么虚表存在哪的呢？实际我们去验证一下会发现vs下是存在代码段的，

2. 多态的原理

classPerson{public:virtualvoidBuyTicket(){cout<<"买票-全价"<<endl;}};classStudent:publicPerson{public:virtualvoidBuyTicket(){cout<<"买票-半价"<<endl;}};voidFunc(Person&p){p.BuyTicket();}intmain(){Person Mike;Func(Mike);Student Johnson;Func(Johnson);return0;}