多态笔记

Posted 2022-03-11 在下赵某人

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了多态笔记相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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：
多态—>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。

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
;

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

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。

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：

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。
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。
补：
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

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。
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。
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。
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？
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

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
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;