多态相关笔记

Posted 2022-11-29 在下赵某人

目录

• 1. 多态的概念
• 2. 多态的定义及实现
• • 2.1多态的构成条件
  • 2.2 虚函数
  • 2.3虚函数的重写
  • 2.4 C++11 override 和 final
  • 2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
• 3. 抽象类
• • 3.1 概念
  • 3.2 接口继承和实现继承
• 4.多态的原理
• • 4.1虚函数表
  • 4.2多态的原理
  • 4.3 动态绑定与静态绑定
• 5.单继承和多继承关系的虚函数表
• • 5.1 单继承中的虚函数表
  • 5.2 多继承中的虚函数表
  • 5.3. 菱形继承、菱形虚拟继承
• 补充：为什么析构函数建议设置为虚函数
• 补充：多态调用的条件
• 补充：为何static成员函数不能为virtual
• 补充：内联函数可以是虚函数吗？
• 补充：构造函数可以是虚函数吗？
• 补充：对象访问普通函数快还是虚函数更快？
• 补充：虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？
• 补充：继承和多态常见的面试问题

1. 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。

2. 多态的定义及实现

2.1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
  

2.2 虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

2.3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。

对比：
重写—>虚函数的重写(覆盖)需要子类与父类的虚函数 返回值类型、函数名、参数列表都相同。
继承—>构成隐藏的条件只需要普通函数，函数名相同即可。

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。（了解一下即可）

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。

2.4 C++11 override 和 final

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重写，重写会报错。

//可以尝试运行一下，会报错
class Car

public:
 virtual void Drive() final  //final修饰后不能被重写
;
class Benz :public Car 
public:
 virtual void Drive() cout << "Benz-舒适" << endl;//重写会报错
;

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;//重写了父类虚函数
;

2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

两个基类和派生类的同名函数不构成重写就是重定义

3. 抽象类

3.1 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。 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。

3.2 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，继承的是口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

我的猜想：

• 普通函数 —> 实现继承 —> 将父类的成员函数整个(包括声明和实现)添加到子类中。如果构成隐藏，则子类调用时默认调用子类的函数。
• 虚函数 —> 接口继承 —> 实际是将虚函数表中的父类的函数地址用子类的函数地址覆盖，子类调用的时候在虚函数表中找到的就是子类函数的地址，调的就是子类的函数，相当于直接调用继承了接口，所以叫接口继承。

4.多态的原理

4.1虚函数表

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

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

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，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针。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。

// 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这部分，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，一般情况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。
   补：
   

6. 这里还有一个很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？
   注意虚表中存的是虚函数指针，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。虚表存在代码段。
   

4.2多态的原理

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？
   一、多态为什么不能传对象？
   
   二、为什么传不同对象的指针(引用)时会调用不同的函数？
   
   
5. 通过汇编代码分析知，满足多态以后的函数调用，函数地址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。
   
   

4.3 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。
   

5.单继承和多继承关系的虚函数表

5.1 单继承中的虚函数表

#include<iostream>
using namespace std;

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;
	
	virtual void Func4()
	
		cout << "Derive::Func4()" << endl;
	
private:
	int _d = 2;
;

typedef void(*VFPTR)(); //将函数指针typedef为VFPTR

//打印虚表
void PrintVFT(void* vft[]) //数组名会退化为指针

	printf("%p\\n", vft);
	for (size_t i = 0; vft[i] != nullptr; ++i)
	
		printf("vft[%d]:%p->", i, vft[i]);
		VFPTR f = (VFPTR)vft[i]; //强转成函数指针，再调用
		f();
	
	printf("\\n");
 

int main()

	Base b;
	Derive d;
	PrintVFT((void**)(*((int*)&b)));
	PrintVFT((void**)(*((int*)&d)));
	return 0;

以上代码结果：

5.2 多继承中的虚函数表

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

1. 多重继承会有多个虚函数表，几重继承，就会有几个虚函数表。这些表按照派生的顺序依次排列。
2. 如果子类重写了父类的虚函数，那么就会用子类自己的虚函数覆盖虚函数表的相应的位置。
3. 多继承如果子类有新的虚函数，那么就添加到第一个虚函数表的末尾。

5.3. 菱形继承、菱形虚拟继承

补充：为什么析构函数建议设置为虚函数

父类的析构函数强力建议设置为虚函数，这样动态释放父类指针所指的子类对象时，能够达到析构的多态

1. 构造时，先构造父类，再构造子类部分，因此父类和子类的构造函数都会被调用；
2. 析构时，要分情况：

（1） (父类析构函数不是虚函数）使用父类指针指向子类对象，析构该子类对象时，只会调用父类析构函数，因为不具多态性；代码理解：

class child:public parent;
parent *p = new child();  //父类指针指向子类对象
delete p;  //用父类指针调用，且未构成多态，调用的是父类析构函数，子类析构函数不会被调用

（2）上面存在一个问题，如果子类也分配的资源就会导致无法释放，使用虚函数可以解决上述问题。

class parent
	virtual	~parent();
;
class child:public parent

	~child();
;
parent *p = new child();  //父类指针指向子类对象
delete p;   //用父类指针调用，但构成多态，调用的是子类的析构函数。
            //子类析构函数会先析构子类部分，再调用父类的析构函数析构父类部分

（3）对于第一种非虚函数的情况，如果是用子类指针指向子类对象，那么会先调用子类析构函数，再调用父类析构函数，子类释放子类中分配的，父类分配父类中分配的。

class child:public parent;
child*p = new child();  //子类指针指向子类对象
delete p;   //虽然未构成多态，但用子类指针调用，调用的是子类的析构函数。
            //子类析构函数会先析构子类部分，再调用父类的析构函数析构父类部分

第三种方法也能够让父类和子类的资源都释放掉，使用virtual是为了使父类指针具有通用性。

补充：多态调用的条件

• 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

• 单说只构成多态调用：
  1. 只要通过指针或者引用调用，调用的是虚函数即可，无需完成重写。如下例：
  

• 首先，p1会使程序奔溃，单p2调用则正常运行。

• 因为：类的成员函数存在公共代码段，空指针调用成员函数只要未涉及this指针即可正常运行。
  p1是指针调用，调用的是虚函数，所以是多态调用。多态调用要到对象中找虚函数表指针，要用到this指针，故会报错。
  p2是普通调用，无需this指针，且成员函数test中也未用到this指针，故不会报错。

补充：为何static成员函数不能为virtual

1. 虚函数依靠vptr和vtable来处理。vptr是一个指向虚函数表vtable的指针。因为vptr是类的成员，故需要用this指针来访问它，而静态成员函数没有this指针。所以static函数不能为virtual。
2. 虚函数的调用关系：this -> vptr -> vtable ->virtual function

补充：内联函数可以是虚函数吗？

答：
语法上：不可以，因为：inline函数在调用的地方展开了，故inline函数没有地址。而虚函数需要把函数地址放进虚函数表中。
实际中：可以，不过编译器就忽略inline属性，这个函数就不再是inline，因为虚函数要放到虚表中去。(vs下是这样，其他编译器请自行验证)

补充：构造函数可以是虚函数吗？

答：不能，因为：

1. 具体描述：如果构造函数是虚函数，那么调用构造函数前先要用虚表指针找到虚表，而此时对象中虚表指针都还没有初始化，因为对象中的虚表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始化的。
2. 简而言之：构造的时候才初始化虚表指针，而如果构造函数是虚函数，则构造前就要用到虚表指针，互相矛盾。

补充：对象访问普通函数快还是虚函数更快？

答：如果是普通对象，是一样快的，因为不满足多态调用的两个条件，会像普通函数那样调用而不会走多态调用的路子。如果是对象指针或者是对象引用，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。

补充：虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？

答：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。

补充：继承和多态常见的面试问题

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