C++多态详解

饿了我会自己捡代码吃2024-05-24 23:21

目录

一、多态的概念

二、多态的定义及实现

1.多态的构成条件

2.虚函数

3.虚函数的重写

4.例题理解（超级重要，强烈建议做一下）

[5.C++11 override和 final](#5.C++11 override和 final)

6.重载、覆盖（重写）、隐藏（重定义）的对比

三、抽象类

1.概念

2.接口继承与实现继承

四、多态的原理

1.虚函数表

2.原理

3.静态绑定与动态绑定

五、单继承和多继承关系的虚函数表

1.单继承中的虚函数表

2.多继承中的虚函数表

l六、一些经典的面试问题

一、多态的概念

多态用通俗的话来说就是多种形态，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：买票

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。

二、多态的定义及实现

1.多态的构成条件

首先，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。

在继承中构成多态有两个条件：

1.必须通过基类的指针和引用调用虚函数

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

例：

cpp 复制代码 
class Person
{
	public:
		virtual void BuyTicket()
		{ 
			cout << "买票-全价" << endl;
		}
};

	
class Student : public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{ 
		cout << "买票-半价" << endl;
	}
};
	
// 多态
// 条件1：虚函数的重写 -> 父子类中两个虚函数，三同(函数名、参数、返回)
// 条件2：父类指针或引用去调用虚函数
void Func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}
	
int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	
	Func(ps);
	Func(st);
	
	return 0;
}

2.虚函数

被virtual修饰的类成员函数称为虚函数

cpp 复制代码 
class Person
{
	public:
		virtual void BuyTicket()
		{ 
			cout << "买票-全价" << endl;
		}
};

3.虚函数的重写

虚函数的重写（或者覆盖）：派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数（返回类型、函数名、参数列表完全相同），则称子类的虚函数重写了基类的虚函数

cpp 复制代码 
class Person
{
	public:
		virtual void BuyTicket()
		{ 
			cout << "买票-全价" << endl;
		}
};

	
class Student : public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{ 
		cout << "买票-半价" << endl;
	}
};

注：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

虚函数重写的两个特殊：

1.协变（基类与派生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

cpp 复制代码 
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(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。

cpp 复制代码 
class Person
{
public:
	virtual ~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};
class Student : public Person
{
public:
	virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
// 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。
int main()
{
	Person* p1 = new Person;
	Person* p2 = new Student;
	delete p1;
	delete p2;
	return 0;
}

4.例题理解（超级重要，强烈建议做一下）

cpp 复制代码 
class A
{
public:
	virtual void func(int val = 1) 
	{ 
		std::cout << "A->" << val << std::endl;
	}
	
	virtual void test() { func(); }
};
	
class B : public A
{
public:
	void func(int val = 0) { std::cout << "B->" << val << std::endl; }
};
	
int main(int argc, char* argv[])
{
	B* p = new B;
	p->test();

	return 0;
}

A:A->0 B:B->1 C:A->1 D:B->0 E:编译出错 F:以上都不正确

烙铁们猜猜选哪个？

首先这是一个多态调用，看起来不太像，但是它满足多态调用的两个条件

1.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 ：func()是虚函数重写

2.通过基类的指针和引用调用虚函数：首先派生类B中继承了test()，可以调用test()，然后再test()中调用func()，但是在这个test()中调用func函数的this指针是A*还是B*呢？答案是A*，当this是A*时即满足通过基类指针或引用调用虚函数，可以构成多态，为什么呢？因为在派生类B中调用test函数时，实则是调用基类A中的test函数

这里我们可以了解一个知识：子类继承父类的成员函数只是说子类可以调用父类的函数，并不是拷贝一份在子类里

函数的调用是先子后父，先看看子类中有没有，没有再去父类中找，因此满足第二个条件

此时我想大多数烙铁都会说答案是 D，但是答案是B

这里有一个很隐晦的知识点：在多态调用中（记住是在多态调用中，不是普通函数调用），虚函数的重写是重写它的实现，但用的是基类函数的声明

就像这样：

然后变成下面这样：

所以答案选B,出题人真是太心机了

5.C++11 override和 final

C++中对函数重写的要求比较严格，有些情况下由于疏忽，可能会导致函数名字母次序写反或其他错误而无法构成重写，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会发现，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，表示虚函数不能被重写

cpp 复制代码 
class Car
{
public:
	virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
	virtual void Drive() { cout << "小米su7" << 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

cpp 复制代码 
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）的对比

1，重载首先必须在同一个作用域中，而隐藏和重写在不同类的作用域中
2，隐藏只要函数名相同即可，重写则要是虚函数，且是三同（返回类型，参数类型，函数名）
3，重写相当于隐藏的一个分支

三、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。

cpp 复制代码 
class Car
{
public:
    virtual void Drive() = 0;
};
class Benz :public Car
{
public:
    virtual void Drive()
    {
        cout << "Benz" << endl;
    }
};
class Xiaomisu7 :public Car
{
public:
    virtual void Drive()
    {
        cout << "xiaomisu7" << endl;
    }
};
void Test()
{
    Car* pBenz = new Benz;
    pBenz->Drive();
    Car* xiaomisu7 = new Xiaomisu7;
    xiaomisu7->Drive();
}

子类不实现父类所有的纯虚函数，则子类还属于抽象类，仍然不能实例化对象

2.接口继承与实现继承

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。

四、多态的原理

1.虚函数表

观察下面代码：

cpp 复制代码 
class Base
{
public:
    virtual void Func1()
    {
        cout << "Func1()" << endl;
    }
private:
    int _b = 1;
};
int main()
{
    Base a;
    return 0;
}

通过观察测试我们发现b对象中除了_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

cpp 复制代码 
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 << "Derive1::Func1()" << endl;
    }
private:
    int _d = 2;
};


int main()
{
    Base a;
    Derive d;
    return 0;
}

通过观察和测试，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，但是不是虚函数，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。

  1. 这里还有一个烙铁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

7.内存：内存对齐，多个虚函数会被放在一个虚表中，由一个虚表指针指向

8.多继承的时候，就会可能有多张虚表

9.父类对象的虚表与子类对象的虚表没有任何关系，这是两个不同的对象

10.虚表是在编译期间生成的

11.一个类的不同对象共享该类的虚表，可以自行写代码验证之

2.原理

了解了虚函数表，下面我们来具体分析一下多态的原理

还是以买票举例：

cpp 复制代码 
class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{ 
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
};
class 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;
}

  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.要了解的是满足多态的函数调用，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。

总之多态调用时在运行时在虚函数表找函数的地址，进行调用，所以指向父类调的是父类的虚函数，指向子类调用的是子类的虚函数，而普通调用时是在编译时，通过调用者类型确定函数地址

3.静态绑定与动态绑定

  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，总之就是在编译时确定函数的地址，在编译时时实现多态，本质是函数名修饰规则

  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。总之就是在运行时确定函数的地址，在运行时实现多态

五、单继承和多继承关系的虚函数表

1.单继承中的虚函数表

cpp 复制代码 
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;
};

int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}

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。

Base类对象和Derive类对象前4个字节存储的都是虚表的地址，只是各自指向各自的虚表

我们可以将虚表中的函数打印出来，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，具体代码就不写了，主要是观察

2.多继承中的虚函数表

cpp 复制代码 
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;
};

int main()
{
	Derive d;
	return 0;
}

同上打印一下

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

就像这样

l六、一些经典的面试问题

1. 什么是多态？

可以从动态多态和静态多态两个角度去讲

静：静态多态是编译时的多态，例如函数重载，会自动匹配类型，本质是函数名修饰规则用修饰 后的函数名字去符号表里去找函数的地址
动：运行时到指向对象的虚表里去找

2. 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？ 参考上述博客

3. 多态的实现原理？多态调用时在运行时在虚函数表找函数的地址，进行调用，所以指向父类调的是父类的虚函数，指向子类调用的是子类的虚函数（具体 参考上述博客）

4. inline函数可以是虚函数吗？

可以，不过编译器就忽略inline属性，这个函数就不再是 inline，因为虚函数要放到虚表中去。

5. 静态成员可以是虚函数吗？

不能，因为静态成员函数没有this指针，使用类型::成员函数的调用方式无法访问虚函数表，所以静态成员函数无法放进虚函数表。

6. 构造函数可以是虚函数吗？

不能，因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始化的。

7. 析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？

可以，并且最好把基类的析构函数定义成虚函数

8. 对象访问普通函数快还是虚函数更快？

首先如果是普通对象，是一样快的。

如果是指针对象或者是引用对象，则调用的普通函数快，因为构成多态，运行时调用虚函数需要到虚函数表中去查找。

9. 虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？

虚函数表是在编译阶段就生成的，一般情况下存在代码段(常量区)

10.抽象类的作用？

抽象类强制重写了虚函数，另外抽象类体现出了接口继承关系。

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