c++之多态

2021-05-19 21:41 188人阅读评论(0)

多态及其实现

多态的定义

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。
举个例子：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。

#include<iostream>
using namespace std;
class people {
   

public:
	virtual void buy() {
   
		cout << "普通全票" << endl;
	}
};
class student:public people{
   

public:
	void buy() {
   
		cout << "学生半票" << endl;
	}
};
void bst(people&p) {
   
	p.buy();
}
int main() {
   
	people p;
	student s;
	bst(p);
	bst(s);

}

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条件：
多态的条件->满足多态，指向谁就调用谁的虚函数

必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
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
重写的条件：
父子类的函数都是虚函数
函数名，参数，返回值都要相同

不满足多态：跟类型有关，也会就是说p是什么类型，就会调用哪个类型地成员函数。
满足多态：跟对象有关，也就是说指向那个对象，就调用用哪个类型的虚函数

虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

class people {
   

public:
	virtual void buy() {
   
		cout << "普通全票" << 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 people {
   

public:
	virtual void buy() {
   
		cout << "普通全票" << endl;
	}
};
class student:public people{
   

public:
	void buy() {
   
		cout << "学生票" << endl;
	}
};
void bst(people&p) {
   
	p.buy();
}
int main() {
   
	people p;
	student s;
	bst(p);
	bst(s);

}
/*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
*/

虚函数重写的两个例外

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 B:public A {
   };
class people {
   

public:
	virtual A* buy() {
   
		cout << "普通全票" << endl;
	}
};
class student:public people{
   

public:
	B* buy() {
   
		cout << "学生票" << endl;
	}
};
void bst(people&p) {
   
	p.buy();
}
int main() {
   
	people p;
	student s;
	bst(p);
	bst(s);

}

如果AB不是继承关系就出现错误
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。
如果析构不构成虚函数会出现已出现结果

class people {
   

public:
	~people() {
   
		cout << "people析构" << endl;
	}
};
class student:public people{
   
	

public:
	~student(){
   
		cout << "stdent析构" << endl;
	}
};


int main() {
   
	people *p=new people;
	//p->destructor();
	delete p;
	people *s=new student;
	//s->destructor()
	delete s;
}

就根本不满足多态：跟类型有关，也会就是说p是什么类型，就会调用哪个类型地成员函数。

class people {
   

public:
	virtual ~people() {
   
		cout << "people析构" << endl;
	}
};
class student:public people{
   
	

public:
	~student(){
   
		cout << "stdent析构" << endl;
	}
};


int main() {
   
	people *p=new people;
	p->destructor()
	delete p;
	people *s=new student;
	//s->destructor()
	delete s;
}

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p和s指向的对象正确的调用析构函数。
满足多态：跟对象有关，也就是说指向那个对象，就调用用哪个类型的虚函数

c++11override 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。

final:：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被继承
final:：修饰类，表示该类不能再被继承

class people {
   

public:
	virtual void buy()final {
   
		cout << "普通全票" << endl;
	}
};
class student:public people{
   

public:
	void buy() {
   
		cout << "学生票" << 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 people {
   

public:
	 void buy() {
   
		cout << "普通全票" << endl;
	}
};
class student:public people{
   

public:
	void buy() override {
   
		cout << "学生票" << endl;
	}
};

强制检查重写，否则就出错

重载、重写、重定义的对比

1.函数重载：

在C++种，函数重载是在同一作用域，=函数名相同，但是参数列表：参数个数，参数类型，返回值（可同可不同）不同。总之，只要在同一作用域，只要函数名相同，就可构成函数重载。
2.重定义（隐藏）
在基类和派生类中有同名成员，成员可以是变量，也可以是函数，如果是函数，不管参数或是返回值是否相同，那么子类成员都将屏蔽对父类成员的访问。总之，只要在子类和父类中，只要函数名相同，就可构成函数重定义。对
3.重写（覆盖）
在基类和子类中，如果父类是虚函数（函数前有关键字virtual），而子类中有一个完全相同的函数，即可构成重写。完全相同指的是函数名、参数、返回相同，但是对于协变，返回值不同，也可构成重写。

抽象类

抽象类的定义

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。

#include<iostream>
using namespace std;
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();
}
int main() {
   
	Test();
}

多态的原理

1，首先看一个程序

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

// 这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？
答案是8，为什么了？

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

class Base
{
   
public:
	virtual void Func1()
	{
   
		cout << "Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func2()
	{
   
		cout << "Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func3()
	{
   
		cout << "Func1()" << endl;
	}

private:
	int _b = 1;
};
int main() {
   
	Base b;
	cout << sizeof(b) << endl;
}

当类中出现3个虚函数 __vfptr里边就会有3个

class Base
{
   
public:
	virtual void Func1()
	{
   
		cout << "Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func2()
	{
   
		cout << "Func1()" << endl;
	}
 void Func3()
	{
   
		cout << "Func1()" << endl;
	}

private:
	int _b = 1;
};

当把fun3前边的virtual去掉时就会变成两个，可见普通成员函数不存在在_vfptr里边。
_vfptr到底是什么？

虚函数表指针（简称虚表指针）：虚函数指针本质是指针数组（虚函数指针）
这里和菱形继承的虚机表指针不同

class Base
{
   
public:
	virtual void Func1()
	{
   
		cout << "Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func2()
	{
   
		cout << "Func1()" << endl;
	}
 void Func3()
	{
   
		cout << "Func1()" << endl;
	}

private:
	int _b = 1;
};
int main() {
   
	Base b1;
	Base b2;
}

b1,b2的虚表是不是同一个

地址相同，显然是同一个。
虚表在哪

经过地址对比极大可能在常量区
虚表在什么阶段生成的？
一般在编译时生成的。

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。

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，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。

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。那么虚表存在哪的呢？实际我们去验证一下会发现vs下是存在代码段的，Linux g++下大家自己去验证？

虚函数表

上面分析了这个半天了那么多态的原理到底是什么？还记得这里Func函数传Person调用的
Person::BuyTicket，传Student调用的是Student::BuyTicket

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;
}

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？

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。

单继承中的虚函数表

#include<iostream>
using namespace std;
class Base
{
   
public:
	virtual void Func1()
	{
   
		cout << "Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func2()
	{
   
		cout << "Func1()" << endl;
	}
 void Func3()
	{
   
		cout << "Func1()" << endl;
	}

private:
	int _b = 1;
};

class Derive :public Base {
   
public:
	virtual void func1() {
    cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func2() {
    cout << "Derive::func3" << endl; }
	virtual void func3() {
    cout << "Derive::func3" << endl; }
	virtual void func4() {
    cout << "Derive::func4" << endl; }

private:
	int b;
};
int main() {
   
	Base b;
	Derive d;

	
}

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

在内存可以看到func3和func4的地址

多继承中的虚函数表

#include<iostream>
using namespace std;
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
内存下的虚表

可以看出Dirver的fun1将基类的fun1覆盖了

转载：https://blog.csdn.net/qq_50408340/article/details/116853433

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