C++多态

Posted 2022-05-25 任我驰骋.

多态

• 一、多态的概念
• 二、多态的定义及实现
• • 多态的构成条件
  • 虚函数
  • 虚函数的重写
  • C++11 override 和 final
  • 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
• 三、抽象类
• • 接口继承和实现继承
• 四、多态的原理
• • 虚函数表
  • 多态的原理
  • 动态绑定与静态绑定
• 五、单继承和多继承关系的虚函数表
• • 单继承中的虚函数表
  • 多继承中的虚函数表
  • 菱形继承、菱形虚拟继承
• 总结

一、多态的概念

多态的概念：通俗来说，就是多种形态，具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。

举个栗子：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，是半价买票；军人买票时是优先买票。

二、多态的定义及实现

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：

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

虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

class Person 
public:
	 virtual void BuyTicket()  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。

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; 
	 
	  /*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了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
	*/
	 /*void BuyTicket()  cout << "买票-半价" << endl; */
;
void Func(Person& p)
 p.BuyTicket(); 
int main()

	 Person ps;
	 Student st;
	 
	 Func(ps);
	 Func(st);
	 
	 return 0; 

虚函数重写的两个例外：

1. 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。

class A;
class B : public A ;
class Person 
public:
	 virtual A* f() return new A;
;

class Student : public Person 
public:
	 virtual B* f() return new B;
;

2. 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。虽然函数名不相同，看起来违背了重写的规则，其实不然，这里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。

class Person 
public:
	 virtual ~Person() cout << "~Person()" << endl;
;
class Student : public Person 
public:
	 virtual ~Student()  cout << "~Student()" << endl; 
;
// 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。
int main()

	 Person* p1 = new Person;
	 Person* p2 = new Student;
	 
	 delete p1;
	 delete p2;
	 
	 return 0; 
 

C++11 override 和 final

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，可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重载，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和final两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。

1. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被继承

class Car

public:
	 virtual void Drive() final 
;

class Benz :public Car

public:
	 virtual void Drive() cout << "Benz-舒适" << endl;
;

2. 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 Car
public:
	 virtual void Drive()
;

class Benz :public Car 
public:
	 virtual void Drive() override cout << "Benz-舒适" << endl;
;

重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

三、抽象类

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。纯虚函数规范了派生类必须重写，另外纯虚函数更体现出了接口继承。

class Car

public:
	 virtual void Drive() = 0;
;
class Benz :public Car

public:
	 virtual void Drive()
	 
		 cout << "Benz-舒适" << endl;
	 
;
class BMW :public Car

public:
	 virtual void Drive()
	 
		 cout << "BMW-操控" << endl;
	 
;
void Test()

	 Car* pBenz = new Benz;
	 pBenz->Drive();
	 Car* pBMW = new BMW;
	 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

虚函数表

// 这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？ 答案是8字节
class Base

public:
	 virtual void Func1()
	 
		 cout << "Func1()" << endl;
	 
private:
	 int _b = 1;
;
// Base类只是一个指针，所以Base大小是4个字节。

//但Base类中添加一个int _b,Base的大小变成8字节。

通过观察测试我们发现b对象是8bytes，除了_b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。那么派生类中这个表放了些什么呢？我们接着往下分析

// 针对上面的代码我们做出以下改造
// 1.我们增加一个派生类Derive去继承Base
// 2.Derive中重写Func1
// 3.Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3
class Base

public:
	 virtual void Func1()
	 
		 cout << "Base::Func1()" << endl;
	 
	  virtual void Func2()
	 
		 cout << "Base::Func2()" << endl;
	 
	 void Func3()
	 
		 cout << "Base::Func3()" << endl;
	 
	 
private:
	 int _b = 1;
;

class Derive : public Base

public:
	 virtual void Func1()
	 
		 cout << "Derive::Func1()" << endl;
	 
private:
	 int _d = 2;
;

int main()

	 Base b;
	 Derive d;
	 
	 return 0; 

通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，这个数组最后面放了一个nullptr。
5. 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。
6. 这里还有一个童鞋们很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？ 答：虚函数存在虚表，虚表存在对象中。注意上面的回答的错的。但是很多童鞋都是这样深以为然的。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。
   

多态的原理

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; 
 

1. 观察下图的红色箭头我们看到，p是指向mike对象时，p->BuyTicket在mike的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket。
2. 观察下图的蓝色箭头我们看到，p是指向johnson对象时，p->BuyTicket在johson的虚表中找到虚函数是Student::BuyTicket。
3. 这样就实现出了不同对象去完成同一行为时，展现出不同的形态。
4. 反过来思考我们要达到多态，有两个条件，一个是虚函数覆盖，一个是对象的指针或引用调用虚函数。反思一下为什么？
5. 再通过下面的汇编代码分析，看出满足多态以后的函数调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象的中取找的。不满足多态的函数调用时编译时确认好的。
   

void Func(Person* p) 

	 p->BuyTicket();


int main()

	 Person mike;
	 Func(&mike);
	 mike.BuyTicket();
	 
	 return 0; 

// 以下汇编代码中跟你这个问题不相关的都被去掉了
void Func(Person* p) 

...
	 p->BuyTicket();
// p中存的是mike对象的指针，将p移动到eax中
001940DE mov eax,dword ptr [p]
// [eax]就是取eax值指向的内容，这里相当于把mike对象头4个字节(虚表指针)移动到了edx
001940E1 mov edx,dword ptr [eax]
// [edx]就是取edx值指向的内容，这里相当于把虚表中的头4字节存的虚函数指针移动到了eax
00B823EE mov eax,dword ptr [edx]
// call eax中存虚函数的指针。这里可以看出满足多态的调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对
象的中取找的。
001940EA call eax 
00头1940EC cmp esi,esp 


int main()

... 
// 首先BuyTicket虽然是虚函数，但是mike是对象，不满足多态的条件，所以这里是普通函数的调用转换成地址时，是在编译时已经从符号表确认了函数的地址，直接call 地址
	 mike.BuyTicket();
00195182 lea ecx,[mike]
00195185 call Person::BuyTicket (01914F6h) 
... 

动态绑定与静态绑定

1. 静态绑定又称为前期绑定(早绑定)，在程序编译期间确定了程序的行为，也称为静态多态，比如：函数重载
2. 动态绑定又称后期绑定(晚绑定)，是在程序运行期间，根据具体拿到的类型确定程序的具体行为，调用具体的函数，也称为动态多态。
3. 本小节之前(5.2小节)买票的汇编代码很好的解释了什么是静态(编译器)绑定和动态(运行时)绑定。

五、单继承和多继承关系的虚函数表

需要注意的是在单继承和多继承关系中，下面我们去关注的是派生类对象的虚表模型，因为基类的虚表模型前面我们已经看过了，没什么需要特别研究的

单继承中的虚函数表

class Base  
public :
	 virtual void func1()  cout<<"Base::func1" <<endl;
	 virtual void func2() cout<<"Base::func2" <<endl;
	private :
	 int a;
;

class Derive :public Base  
public :
	 virtual void func1() cout<<"Derive::func1" <<endl;
	 virtual void func3() cout<<"Derive::func3" <<endl;
	 virtual void func4() cout<<"Derive::func4" <<endl;
private :
	 int b;
;

观察下图中的监视窗口中我们发现看不见func3和func4。这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数，也可以认为是他的一个小bug。那么我们如何查看d的虚表呢？下面我们使用代码打印出虚表中的函数。

typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])

	 // 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
	 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()

	 Base b;
	 Derive d;
	 // 思路：取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，前面我们说了虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，这个数组最后面放了一个nullptr
	 // 1.先取b的地址，强转成一个int*的指针
	 // 2.再解引用取值，就取到了b对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针
	 // 3.再强转成VFPTR*，因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。
	 // 4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表
	 // 5.需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最后面
	没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的-生成-清理解决方案，再编译就好
	了。
	 VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
	 PrintVTable(vTableb);
	 VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
	 PrintVTable(vTabled);
	 return 0; 

多继承中的虚函数表

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; 

观察下图可以看出：多继承派生类的未重写的虚函数放在第一个继承基类部分的虚函数表中

菱形继承、菱形虚拟继承

实际中我们不建议设计出菱形继承及菱形虚拟继承，一方面太复杂容易出问题，另一方面这样的模型，访问基类成员有一定得性能损耗。所以菱形继承、菱形虚拟继承我们的虚表实际中很少用。

总结

1. 什么是多态？
   多态 是指不同继承关系的类和对象去调用同一函数，产生了不同的行为。多态又分为静态多态和动态多态。
2. 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？
   重载 是指在同一范围中声明几个功能类似的同名函数，但是这些同名函数的形式参数（指参数的个数、类型或者顺序）必须不同，也就是说用同一个函数完成不同的功能。
   重写(覆盖) 是指两个函数分别在基类和派生类的作用域，这两个函数的函数名、参数、返回值都必须相同(协变例外)，且这两个函数都是虚函数。
   重定义(隐藏) 是指两个函数分别在基类和派生类的作用域，这两个函数的函数名相同即可。
3. 多态的实现原理？
   构成多态的父类对象和子类对象的成员当中都包含一个虚表指针，这个虚表指针指向一个虚表，虚表当中存储的是该类对应的虚函数地址。因此，当父类指针指向父类对象时，通过父类指针找到虚表指针，然后在虚表当中找到的就是父类当中对应的虚函数；当父类指针指向子类对象时，通过父类指针找到虚表指针，然后在虚表当中找到的就是子类当中对应的虚函数。
4. inline函数可以是虚函数吗？
   不可以，内联函数是会在调用的地方展开的，是没有地址的，但是内联函数是可以定义成虚函数的，当我们把内联函数定义成虚函数后，编译器就忽略了该函数的内联属性，这个函数就不再是内联函数了，因为虚函数的地址被放到虚表中去了。
5. 静态成员函数可以是虚函数吗？
   不能，因为静态成员函数是存在整个类域中，没有this指针，使用类型::成员函数的调用方式无法访问虚函数表，所以静态成员函数无法放进虚函数表。
6. 构造函数可以是虚函数吗？
   不能，因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始化的，如果构造函数是虚函数，那么调用构造函数时对象中的虚表指针都没有初始化。
7. 析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？
   可以，并且最好把基类的析构函数定义成虚函数。当我们new一个父类对象和一个子类对象，并均用父类指针指向它们，在我们使用delete调用析构函数并释放对象空间时，只有当父类的析构函数是虚函数的情况下，才能正确调用父类和子类的析构函数，否则当我们使用父类指针delete对象时，只能调用到父类的析构函数。
8. 对象访问普通函数快还是虚函数更快？
   首先如果是普通对象，是一样快的。如果是指针对象或者是引用对象，则调用的普通函数快，因为构成多态，运行时调用虚函数需要到虚函数表中去查找。
9. 虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？
   虚函数表是在编译阶段就生成的，一般情况下存在代码段(常量区)的。
10. C++菱形继承的问题？虚继承的原理？
    菱形继承子类对象当中有两份父类的成员，会导致数据冗余和二义性的问题。
    虚继承对于相同的虚基类在对象当中只会存储一份，若要访问虚基类的成员需要通过虚基表获取到偏移量，进而找到对应的虚基类成员，从而解决了数据冗余和二义性的问题。
11. 什么是抽象类？抽象类的作用？
    抽象类体现了虚函数的继承是一种接口继承，强制子类去抽象纯虚函数，如果子类不抽象从父类继承下来的纯虚函数，那么子类也是抽象类也不能实例化出对象。其次，抽象类可以很好的去表示现实世界中没有示例对象对应的抽象类型，比如：植物、人、动物等。