C++多态

请揣满RMB2023-08-16 9:09

文章目录

  • [🐵1. 什么是多态](#🐵1. 什么是多态)
  • [🐶2. 构成多态的条件](#🐶2. 构成多态的条件)
    • [🐩2.1 虚函数](#🐩2.1 虚函数)
    • [🐩2.2 虚函数的重写](#🐩2.2 虚函数的重写)
    • [🐩2.3 final 和 override关键字](#🐩2.3 final 和 override关键字)
    • [🐩2.4 重载、重写、重定义对比](#🐩2.4 重载、重写、重定义对比)
  • [🐱3. 虚函数表](#🐱3. 虚函数表)
  • [🐯4. 多态的原理](#🐯4. 多态的原理)
  • [🐎5. 多继承的虚表关系](#🐎5. 多继承的虚表关系)
  • [🦬6. 抽象类](#🦬6. 抽象类)

🐵1. 什么是多态

当下网络有个热门词汇叫"双标"，意思就是用不同的标准来衡量人或事，这是一个贬义词。而在编程世界中，这种"双标"，我们称之为多态，当然了这里的多态并不是贬义词，而是一种技术实现。

比如说某种商城有会员机制，将用户分为普通用户、普通会员、尊贵会员等

那买同种东西的时候，不同的用户等级会有着不同的价格，这就是一种多态行为

🐶2. 构成多态的条件

实现多态性的主要构成条件是使用虚函数 和继承：

  • 必须通过基类的指针或引用调用虚函数
  • 被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对虚函数进行重写

🐩2.1 虚函数

只有类的成员函数才能被定义为虚函数，格式如下：

cpp 复制代码 
class A
{
    //函数前面加上virtual 表面该成员函数为虚函数
	virtual void func() {}
};

🐩2.2 虚函数的重写

当派生类中有一个和基类完全相同的虚函数时，我们称这为虚函数的重写/覆盖

重写有三同，即：返回值类型、函数名、参数列表完全相同

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	//虚函数
	virtual void func() const
	{
		cout << "A->func()" << endl;
	}
};
class B :public A
{
public:
	//虚函数重写
	virtual void func() const
	{
		cout << "B->func()" << endl;
	}
};
//多态调用传引用过去
void Print(const A& p)
{
	p.func();
}
int main()
{
	Print(A());	//A->func()
	Print(B());	//B->func()
	return 0;
}

在多态调用中，看的是指向的对象；而普通的函数调用，看的是当前的类型

虚函数的重写，还需注意几点：

  1. 虚函数父类必须加上 virtual修饰，子类虚函数重写前面可以不加virtual，但在实际中，还是建议加上

  2. 对于虚函数的重写，我们规定三同，但是有例外------协变

    即基类与虚函数返回值类型不同，但是返回值类型必须是构成父子关系指针或者引用（同时是指针 或 同时是引用）

    cpp 复制代码 
    class A
{
public:
	//虚函数
	virtual A* func() const
	{
		cout << "A->func()" << endl;
		return 0;
	}
};
class B :public A
{
public:
	//虚函数重写 B和A是父子关系
	virtual B* func() const
	{
		cout << "B->func()" << endl;
		return 0;
	}
};
void Print(const A& p)
{
	p.func();
}
int main()
{
	Print(A());
	Print(B());
	return 0;
}

  3. 析构函数的重写，基类和派生类的析构函数名不同

    cpp 复制代码 
    class A
{
public:
	//虚函数
	virtual ~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
};
class B :public A
{
public:
	//虚函数重写
	virtual ~B()
	{
		cout << "~B()" << endl;
	}
};
int main()
{
	A* a1 = new A;
	A* a2 = new B;
	delete a1;
	delete a2;
	return 0;
}

    输出：

    这里的原因是因为编译器对析构函数的名字做了处理，编译后名称统一处理为destructor，那为什么要将析构函数统一处理称destructor呢？因为这里要让他们构成重写。如果不构成重写，就好出现类似这样的情况：

    cpp 复制代码 
    class A
{
public:
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
};
class B :public A
{
public:
	~B()
	{
		delete ptr;
		cout << "~B()" << endl;
	}
protected:
	int* ptr;
};
int main()
{
	A* a1 = new A;
	delete a1;
	a1 = new B;
	delete a1;
	return 0;
}

    输出发现，我们这里new了一个B对象，但是每次都是调用A的析构函数，这显然与我们的意愿不符，我们期望的是这个a1->destructor形成的是多态调用，所以这样统一处理之后，就可以让他们构成重写

🐩2.3 final 和 override关键字

如果不想让这个虚函数被重写，可加上final关键字修饰

当然了，final也可以修饰类，让这个类不被继承，一般用于最终的类

如果要检查某个派生类是否重写了基类的某个虚函数，可用override关键字修饰，如果没有重写，则编译报错

🐩2.4 重载、重写、重定义对比

🐱3. 虚函数表

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "func()" << endl;
	}
protected:
	int _a;
};
int main()
{
	cout << sizeof(A) << endl;
}

这段代码如果不加上virtual，则输出的是4；但是加上virtual之后，输出的是16（64位下，指针是8字节，然后内存对齐）

这是因为有了虚函数，这个类里面会多一个虚函数表的指针，这些表里面存的是虚函数的地址

但如果将这个虚函数没有被重写，那么派生类的虚函数表还是指向基类的虚函数；如果重写了，则指向重写的虚函数。

所以多态调用的时候，不管我们传的是基类和派生类，在内存里看到的都是父类；普通调用是在编译 的时候就确定了地址，而多态调用时，运行时会到指向对象的虚表找函数的地址

动态绑定与静态绑定：

  • 静态绑定：在编译时确定调用哪个函数或方法。这是在编译器根据变量的静态类型（声明类型）来决定调用哪个函数
  • 动态绑定：在运行时根据对象的实际类型来确定调用哪个函数或方法。这是通过虚函数（在基类中声明为虚函数，子类进行重写）实现的。动态绑定适用于通过基类指针或引用调用虚函数的情况，确保调用正确的派生类函数

在这里虚表的地址，是存储在哪里的呢？我们通过这段代码来验证

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "A->func()" << endl;
	}
	virtual void Func()
	{
		cout << "A->Func()" << endl;
	}
	int _a;
};
class B :public A
{ 
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "B->func()" << endl;
	}
};
void Print(A a)
{
	a.func();
}
int main()
{
	A aa;
	B bb;

	int a = 0;
	printf("栈：%p\n", &a);
	static int b = 0;
	printf("静态区：%p\n", &b);
	int* p = new int;
	printf("堆：%p\n", p);
	const char* str = "hello";
	printf("常量区：%p\n", str);
	//前四个字节，一定是虚表的地址
	printf("虚表a：%p\n", *((int*)&aa));
	printf("虚表b：%p\n", *((int*)&bb));
}

输出发现虚表的地址和常量区的地址隔的较近 ，所以我们可以得出结论：虚表的地址存储在常量区

另外，我们在Vs的监视窗口只能查看3个虚函数的地址，但这不代表这，内存里面只有三个虚函数的地址，我们可通过这段代码进行验证：

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "A->func1()" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "A->func2()" << endl;
	}
	virtual void func3()
	{
		cout << "A->func3()" << endl;
	}
};
class B :public A
{
	virtual void func3()
	{
		cout << "B->func3()" << endl;
	}
	virtual void func4()
	{
		cout << "B->func4()" << endl;
	}
};
//函数指针命名
typedef void (*Func_Ptr)();
//打印函数指针数组
void PrintVFT(Func_Ptr table[])
{
	for (size_t i= 0; table[i]!=nullptr ; i++)
	{
		printf("[%d]:%p->", i, table[i]);
		Func_Ptr f = table[i];
		f();
	}
	printf("\n");
}
int main()
{
	A a;
	B b;
	int vft1 = *((int*)&a);
	PrintVFT((Func_Ptr*)vft1);
	int vft2 = *((int*)&b);
	PrintVFT((Func_Ptr*)vft2);
	return 0;
}

🐯4. 多态的原理

有了虚表的概念，这我们就能理解，为什么构成多必须是通过基类的指针或引用调用虚函数。因为只有父类的虚表才能既能指向父类，又能指向子类。

那这里还有一个问题就是，为什么必须是指针或引用呢？

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "A->func()" << endl;
	}
	virtual void Func()
	{
		cout << "A->Func()" << endl;
	}
	int _a;
};
class B :public A
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "B->func()" << endl;
	}
};
void Print(A a)
{
	a.func();
}
int main()
{
	A a;
	a._a = 1;
	B b;
	b._a = 10;
	a = b;
	A* pa = &b;
	A& ref = b;
}

这段代码调试发现，子类赋值给父类，父类会进行切片，这里值会拷贝过去，但是虚表并不会拷贝；因为如果拷贝了虚表的话，这样父类对象中的虚表指向的是父类还是子类就混淆了

🐎5. 多继承的虚表关系

上面讲的内容，包括举得例子都是单继承的，所以就不再赘述。这里我们看一下多继承里面的虚表是怎样的

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "A->func1()" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "A->func2()" << endl;
	}
protected:
	int _a;
};
class B
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "B->func1()" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "B->func2()" << endl;
	}
protected:
	int _b;
};
class C :public A, public B
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "C->func1()" << endl;
	}
	virtual void funcC()
	{
		cout << "C->funcC()" << endl;
	}
protected:
	int _c;
};
typedef void (*Func_Ptr)();
//打印函数指针数组
void PrintVFT(Func_Ptr table[])
{
	for (size_t i= 0; table[i]!=nullptr ; i++)
	{
		printf("[%d]:%p->", i, table[i]);
		Func_Ptr f = table[i];
		f();
	}
	printf("\n");
}
int main()
{
	C c;
	cout<<sizeof(c)<<endl;
	int vft1 = *((int*)&c);
	//int vft2 = *((int*)(char*)&c + sizeof(A));
	B* ptr = &c;
	int vft2 = *((int*)ptr);
	PrintVFT((Func_Ptr*)vft1);
	PrintVFT((Func_Ptr*)vft2);
}

通过验证，我们可以发现，C类 里面有两张虚表，一张是A的，一张是B的。而C里面的虚函数funcC()的虚表，是存放在第一张虚表里面

但是，我们这里发现，重写的func1()函数，明明是一样的，但是地址却不一样，我们这段代码转到汇编代码查看

cpp 复制代码 
int main()
{
	C c;
	A* ptr1 = &c;
	B* ptr2 = &c;
	ptr1->func1();
	ptr2->func1();
	return 0;
}

我们发现，ptr1是直接调用找个func1()，而ptr2最终调用的地址和ptr1是一样的，但是在jump的，寄存器减了一个8，这个减8正好是c的地址。ptr1不用修改是因为正好指向了c的起始地址，内存不看类型，只看地址

菱形继承这里就不讲了，很混乱~

🦬6. 抽象类

虚函数后面加上=0，则这个函数为纯虚函数 ，包含了纯虚函数的类，叫做抽象类。

抽象类不能实例化出对象，之后继承的派生类也不能实例化对象，只能重写虚函数，派生类才能实例化出对象。这里规定了派生类必须重新虚函数，所以抽象类也叫接口类。

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	virtual void func() = 0;
};
class B :public A
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "B->func()" << endl;
	}
};
class C :public A
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "C->func()" << endl;
	}
};
void Func(A*a)
{
	a->func();
}
int main()
{
	Func(new B);
	Func(new C);
	return 0;
}

那么本期的分享就到这里咯，我们下期再见，如果还有下期的话。

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