[C/C++]详解C++的多态
Posted TT在长大
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了[C/C++]详解C++的多态相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
本文详细介绍了C++中的多态，从多态的定义，到多态的原理。
目录
一、多态的定义及实现
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。
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。
多态又分为静态多态（编译器）和动态多态（运行时）。
2.虚函数
虚函数：被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。
class Person
public:
virtual void test()
;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。
class Person
public:
virtual void test() cout << "Person" << endl;
;
class Student : public Person
public:
virtual void test() cout << "Student" << endl;
;
void Func(Person& p)
p.BuyTicket();
int main()
Person ps;
Student st;
Func(ps);
Func(st);
return 0;
这里需要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。
4.虚函数重写的例外
(1)协变
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
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;
;
int main()
Person* p1 = new Person;
Person* p2 = new Student;
delete p1;
delete p2;
return 0;
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。
5. C++11中override 和 final
C++对函数重写的要求比较严格，但是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重写.
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;
;6. 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)
二、抽象类
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。
抽象类不能够实例化，它的作用是：1.可以更好地描述现实中没有实例对象的抽象类型，比如人，植物；2.体现接口的继承，强制子类重写。
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();
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，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。
三、多态的原理
1. 虚函数表
#include<iostream>
using namespace std;
class Base
public:
virtual void Func1()
cout << "Func1()" << endl;
private:
int _b = 1;
;
int main()
cout << sizeof(Base) << endl;
通过观察测试我们发现b对象是8bytes；
原因是：
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(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。
再来看一段：
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;
测试：
我们发现：
（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。
（6）注意虚表存是虚函数指针，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。
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。
（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。
int main()
00E05630 push ebp
00E05631 mov ebp,esp
00E05633 sub esp,0DCh
00E05639 push ebx
00E0563A push esi
00E0563B push edi
00E0563C lea edi,[ebp-0DCh]
00E05642 mov ecx,37h
00E05647 mov eax,0CCCCCCCCh
00E0564C rep stos dword ptr es:[edi]
00E0564E mov eax,dword ptr [__security_cookie (0E0C004h)]
00E05653 xor eax,ebp
00E05655 mov dword ptr [ebp-4],eax
00E05658 mov ecx,offset _40E00EB9_Polymorphism@cpp (0E0F027h)
00E0565D call @__CheckForDebuggerJustMyCode@4 (0E01294h)
Person Mike;
00E05662 lea ecx,[Mike]
00E05665 call Base::Base (0E01447h)
Func(Mike);
00E0566A lea eax,[Mike]
00E0566D push eax
00E0566E call Base::Func2 (0E01451h)
00E05673 add esp,4
Student Johnson;
00E05676 lea ecx,[Johnson]
00E05679 call Derive::Derive (0E01442h)
Func(Johnson);
00E0567E lea eax,[Johnson]
00E05681 push eax
00E05682 call Base::Func2 (0E01451h)
00E05687 add esp,4
return 0;
00E0568A xor eax,eax
00E0568C push edx
00E0568D mov ecx,ebp
00E0568F push eax
00E05690 lea edx,ds:[0E056BCh]
00E05696 call @_RTC_CheckStackVars@8 (0E012CBh)
00E0569B pop eax
00E0569C pop edx
00E0569D pop edi
00E0569E pop esi
00E0569F pop ebx
00E056A0 mov ecx,dword ptr [ebp-4]
00E056A3 xor ecx,ebp
00E056A5 call @__security_check_cookie@4 (0E01258h)
00E056AA add esp,0DCh
00E056B0 cmp ebp,esp
00E056B2 call __RTC_CheckEsp (0E0129Eh)
00E056B7 mov esp,ebp
00E056B9 pop ebp
00E056BA ret
00E056BB nop
00E056BC add al,byte ptr [eax]
00E056BE add byte ptr [eax],al
00E056C0 les edx,fword ptr [esi-20h]
00E056C3 add ah,dh
00E056C5 ?? ??????
00E056C6 ?? ??????
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。
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。
四、单继承和多继承关系的虚函数表
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。
1.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，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;
VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
PrintVTable(vTableb);
VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
PrintVTable(vTabled);
return 0;
思路：取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，虚函数表本质是存虚函数指针
(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。
2.多继承中的虚函数表
先上代码：
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;
结果：
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。
3. 关于菱形继承
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。
以上是关于[C/C++]详解C++的多态的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章