C++多态

Posted 2021-06-09 西科陈冠希

多态

• 多态的基本概况
• • 概念
  • 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
  • • final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被继承
    • 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
  • 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
• 抽象类
• • 概念
  • 多态原理
  • • 虚函数表
    • 动态绑定与静态绑定
• 单继承和多继承关系的虚函数表
• • 单继承的虚函数表
  • 多继承中的虚函数表

多态的基本概况

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

多态的定义及实现

多态的构成条件

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
3. 满足谁就调用谁

虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数，可修饰成员函数，使其满足多态条件之一。

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。

如图：传不同的的对象，就会调用不同的函数。

==*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)

** 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。

这里就可以清楚地看到打印的是虚函数的返回值。

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。

要防止内存泄露问题，析构函数必须设置成虚函数，在学生类中不仅要析构学生类的对象还要继承下来的person类的对象，遵从后构造的先析构原则。所以student会析构掉自己然后再析构掉基类。

C++11 override 和 final

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。

final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被继承

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

重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

重载

1. 两个函数在同意作用域
2. 函数名相同或者参数不同
   重写（覆盖）
3. 两个函数分别在基类和派生类的作用域
4. 函数名 参数 返回值 必须相同
5. 两个函数必须是虚函数
   重定义（隐藏）
6. 两个函数分别在基类和派生类的作用域
7. 函数名相同
8. 两个基类和派生类的同名函数不构成重写就是重定义

抽象类

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。

不能实例化对象，强制重写纯虚函数。在类外通过实例化对象去调用类中的函数。

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。

多态原理

虚函数表

常考面试题：

// 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(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

针对之上的情况我们进行一些变化：

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;
}

这种现象反映了一些内容，我们进行分析

1. 进行派生后，因为派生类重新了基类的函数所以在派生类的虚表中会存如入基类虚函数的地址但此时已经被重写了。覆盖掉了之前的内容。
2. 派生类自己的虚函数会存在自己的虚表当中并且虚表中也会有重写基类的虚函数，总共两部分。
3. 虚表指针可能会相同但虚表的地址再不同的类是不同的。
4. 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。
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。

这里我们可以清晰地看出虚表和虚表指针的存放地方
虚表指针和代码段相近，所以可以判断是存在代码段中的，当然虚表也是存放在代码段中的。
虚标是在编译的时候生成

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。

单继承和多继承关系的虚函数表

单继承的虚函数表

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;
};

经过我们运行可以从监视窗口中看到 Derive是看不到func3和func4的，是真的没有存储吗？答案是不是的。那我们如何查看呢

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;
}

这样就可以查看出虚表中的虚表指针了。

从图中就可以清晰看出，经过重写的函数 虚表指针指向的地址是相同的，其他的则存放在各自的虚表当中。

多继承中的虚函数表

前边的单继承只是两个类之间的判断，当我们引进第三个类又会如何变化呢，通过代码我们来进行查看。

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;
}

其实很简单，可以从单继承推算而来，多继承会有两个虚表，分别存放两个继承下来并重写的类的虚表指针，通过输出的地址可看出自己的虚函数存放在第一个虚表中。