关于C++的多态实现机理问题

Posted 2023-04-28

下面是一段多态的测试代码:
#include <iostream.h>
class Base

public:
void fn()

cout<<"in base class"<<endl;

;

class SubClass:public Base

public :
void fn()

cout<<"in sub class"<<endl;

;

void test(SubClass &b)

b.fn();


void main()

Base bc;
SubClass sc;
cout<<"calling test(bc)"<<endl;
test(sc);
sc.fn();
cout<<"calling test(sc)"<<endl;
test(sc);


其中的
void test(SubClass &b)

b.fn();

传入的是引用,我改为值传递,即
void test(SubClass b)

b.fn();

结果无法实现多态的效果,输出都是基类的信息,请问这是为什么,从内存角度来说,值传递和引用传递为什么为如此不同.谢谢您的参与.

我没看你的程序
不过如果你把一个派生类的对象复制给一个基类的对象的话，那么派生类派生出来的属性都会消失
而如果是引用的话，传递的是一个地址
这时候你用一个基类的指针指向这个地址，再调用基类中声明了的在派生类中重写的方法，得到的是派生类调用该方法的结果。
不要问为什么，c的实现就是这样的，如果你觉得不爽，你可以重载＝来实现你想要的结果，或者不要用c
值传递是执行一遍拷贝构造函数
引用传递是传递改变量的地址。
这就是区别 参考技术A 首先肯定一点的是,你的程序不能模拟多态.你只是重写了基类的功能函数,要实现多态,必要的条件是虚函数.
其次,你肯定没有手误?按照你的代码似乎并不是你所说的输出结果. 参考技术B 关键问题是你没有在父类中定义成虚函数。

C++基础语法多态

C++基础语法（六）多态

• 一、什么是多态
• • 1、静态的多态
  • 2、动态的多态
• 二、构成多态的条件与实现
• • 1、多态的构成条件
  • • 问题一：什么是虚函数
    • 问题二：什么是函数重写
  • 2、纯虚函数和抽象类
  • • 纯虚函数的定义
    • 抽象类
  • 3、override和final关键字
  • • override
    • final
  • 4、实现继承和接口继承
• 三、多态的底层原理
• • 1、虚函数表指针
  • 2、为啥必须使用基类指针或者引用才能构成多态
  • 3、关于虚表的一些扩展
  • • （1）虚函数表的“不正确”
    • （2）何时初始化_vfptr？
    • （3）如何理解重写 == 覆盖？
    • （4）虚函数表存放在哪里？
  • 4、多继承中的虚函数表
  • 5、菱形虚拟继承中的虚函数表
• 四、一些坑

一、什么是多态

xxxx在编程语言多态就是在调用相同（外貌相同）接口时表现出来的多种形态，我们可以将多态划分为两种1、静态的多态；2、动态的多态

1、静态的多态

xxxx何为静态的多态，就是在程序编译时就决定了该函数被调用时所出现的形态。静态的多态其实就是指函数重载。

举例说明

void swap(int* a, int* b)
void swap(double* a, double* b)

这里，我们通过对函数的重载，实现在在不同数据类型变量在调用同名函数时出现了不同的形态（分别交换整形和浮点型），或者说执行了完全不同的函数体（看似）。

2、动态的多态

xxxx动态的多态就是大部分人讲的“狭义的多态”，是一种基于继承语法上的新语法。对于不同继承关系的类对象，在调用同一函数时产生的不同行为。
xxxx那为什么叫动态的多态呢？是因为，调用函数的具体形态并不是在编译时就确定好的，而是在执行过程中，根据调用函数的对象指针或者对象的引用的具体内容而决定（具体后面会仔细解读）。

<注> 由于静态的多态在函数重载中已经详细讲过，所以下面所谈的多态都是第二种动态的多态 《函数重载链接》

二、构成多态的条件与实现

xxxx刚刚提到，动态的多态是基于继承的一种新语法。那么就需要在类与类的继承关系上完成多态的条件

1、多态的构成条件

条件1：通过基类指针 / 引用调用虚函数
条件2：被调用的函数为虚函数，并且派生类需要对基类中该虚函数进行重写
xxxx看到这里大家可能会有点懵。什么是虚函数？什么是重写？接下来我会先着重解决这两个问题。

问题一：什么是虚函数

xxxx虚函数，就是由关键字virtual修饰的函数。virtual关键词应该大家不陌生，在学习继承的时候虚继承那里应该已经见到过了。但是多态这里修饰成员函数的virtual和修饰继承类的virtual没有任何联系，切不可混为一谈。
xxxx但是并不是所有的函数都可以被修饰为虚函数，需要满足一定的条件。
条件： virtual只能修饰类中非静态成员函数成员函数

class Person
{
public:
	virtual void BuyTickets()	//这里BuyTickets就是虚函数
	{
		cout<<"买票-全票"<<endl;
	}
};

问题二：什么是函数重写

xxxx当派生类中的函数与基类中虚函数的函数原型完全相同时构成重写（覆盖）。函数原型相同就是指：函数返回值、函数名称、函数参数列表完全相同。

class Person
{
public:
	virtual void BuyTickets()	//这里BuyTickets就是虚函数
	{
		cout<<"买票-全票"<<endl;
	}
};
class Child : public Person
{
public:
	virtual void BuyTickets()	
	{
		cout<<"买票-免票"<<endl;
	}
}；

注：虚函数与重载的几种特例！！
xxxx①当基类函数用virtual修饰后，子类函数不必要用virtual修饰，自动别识别为重写父类虚函数（满足多态条件）
xxxx②构造函数不能是虚函数。未执行构造函数对于基类的构造函数，它仅仅是在派生类构造函数中被调用，这种机制不同于继承。也就是说，派生类不继承基类的构造函数，将构造函数声明为虚函数没有什么意义！
xxxx③析构函数本身构成重写。可能有些人会疑惑，为什么析构函数会构成重写，明明他们的函数名称是（~类）这样的结构，不同类的类名不同，不应该构成重写。能构成重写的原因是，所有析构函数都会被编译器看做destruction这个函数名，所以构成重写。
xxxx④建议析构函数写成虚函数构成多态： 因为正常情况下，不会出现什么问题，但是在下面这种情况，就可能会出现错误。

//A类是基类，B类是派生类
int main()
{
	B b；
	A* ptra = &b;
	delete ptra;
}

对于上述的情况，如果不构成多态，那么ptra是A类型的指针，当我们delete时，就会调用A的析构函数，可是ptra指向的是B类的对象，就会出现问题。
但是，如果我们这个时候将析构函数形成多态，那么当delete指针时候，就会知道，ptra指向的是B类对象，就会去调用B类的析构函数 ，就不会发生安全隐患。

xxxx⑤协变： 对于基类和派生类的虚函数，在返回值不同，但是都是基类或派生类的指针或者引用，任何类就行，只要有父子关系时，也构成重写关系。

class A
{
public:
	virtual A* func(){}
};
class B : public A
{
public:					//既演示了协变，有演示了派生类不需要加virtual
	B* func (){}
};

2、纯虚函数和抽象类

xxxx纯虚函数是一种特殊的虚函数，具有纯虚函数的类叫做抽象类

纯虚函数的定义

class A
{
public:
	virtual void func() = 0;	//虚函数
};

xxxx纯虚函数不需要函数实现，是专门为多态服务的。

抽象类

xxxx在很多情况下，基类本身生成对象是不合情理的。例如，动物作为一个基类可以派生出老虎、孔雀等子类，但动物本身生成对象明显不合常理。
xxxx为了解决上述问题，引入了纯虚函数的概念，将函数定义为纯虚函数（方法：virtual ReturnType Function()= 0;），则编译器要求在派生类中必须予以重载以实现多态性。同时含有纯虚拟函数的类称为抽象类，抽象类不能实例化生成对象。这样就很好地解决了上述两个问题。
xxxx将纯虚函数实现时没有意义的，因为抽象类无法实例化对象，因此根本没有对象能调用到纯虚函数，所以不需要实现，显示纯虚函数也是没有用的。
xxxx继承下抽象类的派生类必须重写抽象类的纯虚函数，否则派生类将纯虚函数原模原样的继承下来后，自己也成为了抽象类，也不能实例化对象。

3、override和final关键字

override

final

4、实现继承和接口继承

三、多态的底层原理

1、虚函数表指针

xxxx就是当类中存在虚函数后，就会在对象中多出来一个指针，就是虚函数表指针。
xxxx虚函数表指针指向的是一个虚表，虚表存放的是属于该类的虚函数的指针。

三个类分别有一个实例对象，查看他们的内容

注：每个类实例化出的对象时候，每个对象都有属于自己类的虚函数表，都有属于自己的虚函数指针。就是说，同一个类实例化出多个对象时，他们的_vfptr是完全相同的，指向的是同一块空间（这个空间就是虚函数表）。

2、为啥必须使用基类指针或者引用才能构成多态

xxxx如果使用普通对象是，将派生类对象赋值给基类对象就会发生切片。切片具体内容在继承一文中有具体介绍。
xxxx赋值切片以后，基类对象就会产生属于基类的虚函数表指针，没有办法把派生类对象的虚函数表指针给基类对象。


xxxx正是由于这样的机制，所以就保证了，指针或者引用调用虚函数时，就会通过虚函数表指针访问到属于该类的虚函数表，在虚函数表中找到匹配的虚函数。这样就做到，指向基类调用基类的虚函数；指向派生类调用派生类的虚函数。
这就是多态的根本原理。

3、关于虚表的一些扩展

（1）虚函数表的“不正确”

xxxx事实上，是存放在虚函数表的，但是就是vs自身的原因，让监视窗口不能反映真正的内部存储结构了。

（2）何时初始化_vfptr？

xxxx虚函数表是在编译时就创建完成，但是每个对象的虚函数表指针是在初始化列表是完成。

（3）如何理解重写 == 覆盖？

xxxx当派生类继承含有虚函数的基类时，首先派生类要将基类的虚函数表整拷贝一份，然后让属于派生类自己的虚函数表指针指向拷贝的虚函数表，当派生类对基类的虚函数重写后，将对应位置的虚函数表的地址改成自己重写的虚函数的地址。（简单来说，不重写时，虚函数表指针不同，指向的虚函数表相同）

（4）虚函数表存放在哪里？

xxxxvs编译器下，虚表存放在代码段中！！

4、多继承中的虚函数表

xxxx我们可以看到，当Derive进行多继承的时候，Derive就会有多个虚函数表指针，指向多个虚函数表。每个虚函数表都是从每一个基类中对应继承过来的。

xxxx同时，我们还发现，Driver中的一个func可以同时对两个基类的func都构成重写，但是他们的地址是不一样的，就是说，还是形成了两份重写函数。

5、菱形虚拟继承中的虚函数表

xxxx这里已经深入了，但是想提醒一点。
一开始在学虚拟继承的时候，我们发现虚表在存储对于公共子类的偏移量是，不是直接存储，而是空出了4个字节的空间，现在我们就可以知道了，空出来的空间也是存的偏移量，只不过存储的是，虚表指针到虚函数表指针

四、一些坑

1、初始化的顺序与初始化列表写的顺序无关，与继承的顺序有关
2、多态只会重写函数实现，不会对函数参数列表进行重写（当有参数缺省值时，不论调用的是子类还是父类的函数，都使用父类虚函数的参数列表）
3、inline函数可以是虚函数吗？可以，但是一旦被virtual修饰，inline就失去效果了。因为inline函数没有地址，是直接在调用处展开（类似宏），所以一旦被修饰成虚函数，必然要把虚函数地址放进虚函数表中。所以就不会是内联函数了。
4、静态成员函数可以是虚函数吗？不可以，静态成员函数是属于整个类的，不依赖对象而存在，所以调用虚函数的时候是依赖类的（类名::函数（））。因此在调用是就没有this指针，这样就没有虚函数表指针，就无法访问到虚函数表，因此无法调用。（编译器会对静态成员函数被virtual修饰的情况直接报错）
5、接口继承：接口继承是指，派生类并没有将基类的函数完整的继承过来，而是在形成多态后仅仅将函数接口（函数名、返回值和参数列表）继承下来。函数的具体实现由派生类自行实现。