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★ C++进阶篇 ★ 多态

article 2024/9/26 5:13:29

Ciallo～(∠・ω< )⌒☆ ~ 今天，我将继续和大家一起学习C++进阶篇第一章----多态 ~

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一多态的概念

二多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

2.2 虚函数

2.3 虚函数的重写

2.4 多态经典选择题

2.5 虚函数重写的其他问题

2.6 override & final

2.1.7 重载/重写/隐藏的对比

三纯虚函数和抽象类

四多态的原理

4.1 虚函数表指针

4.2 多态的原理

4.2.1 多态是如何实现的

4.2.2 动态绑定与静态绑定

4.2.3 虚函数表

一多态的概念

多态(polymorphism)的概念：通俗来说，就是多种形态。多态分为编译时多态(静态多态)和运行时多态(动态多态)，这里我们重点讲运行时多态，编译时多态(静态多态)和运行时多态(动态多态)。编译时多态(静态多态)主要就是我们前面讲的函数重载和函数模板，他们传不同类型的参数就可以调用不同的函数，通过参数不同达到多种形态，之所以叫编译时多态，是因为他们实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的，我们把编译时⼀般归为静态，运行时归为动态。

运行时多态，具体就是去完成某个行为(函数)，可以传不同的对象就会完成不同的行为，就达到多种形态。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，是优惠买票(5折或75折)；军⼈买票时是优先买票。

二多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

多态是一个继承关系的下的类对象，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对象优惠买票。

实现多态的两个条件：

必须指针或者引用调用虚函数：只有基类的指针或引用才能指向派生类对象
被调用的函数必须是虚函数：派生类必须对基类的虚函数重写/覆盖，重写或者覆盖了，派生类才能有不同的函数，多态的不同形态效果才能达到。

2.2 虚函数

类成员函数前面加virtual修饰，那么这个成员函数被称为虚函数。注意⾮成员函数不能加virtual修饰。

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

2.3 虚函数的重写

虚函数的重写：派生类中有⼀个跟基类完全相同的虚函数(子类和父类的虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)，称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。（三同）

以下是一个关于买票的多态实验~

class Person // 父类对象
{
public:
	virtual void BuyTicket() // 必须是虚函数~
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
};

class Student : public Person // 子类对象
{
public:
	virtual void BuyTicket() // 最好虚函数~对父类的虚函数重写
	{
		cout << "买票-半价" << endl;
	}
};

void Func(Person* ptr) // 传指针或引用~ 既可以传父类对象指针又可以传子类指针~
{
	ptr->BuyTicket();
}

int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	Func(&ps); // 买票-全价
	Func(&st); // 买票-半价
	return 0;
}

传不同类型的指针调用不同的函数。

派生类的虚函数在不加virtual关键字，也可以构成重写，但该写法不是很规范。（会出选择题）

我们再来写一个动物叫声的多态情况~

class Animal
{
public:
	virtual void talk() const
	{}
};
class Dog : public Animal
{
public:
	virtual void talk() const
	{
		std::cout << "汪" << std::endl;
	}
};
class Cat : public Animal
{
public:
	virtual void talk() const
	{
		std::cout << "喵₍˄·͈༝·͈˄*₎◞ ̑̑" << std::endl;
	}
};
void letsHear(const Animal& animal)
{
	animal.talk();
}

2.4 多态经典选择题

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;
}

重写的本质是重写虚函数的实现，在继承中绝不重新定义继承下来的缺省值。

2.5 虚函数重写的其他问题

协变

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。协变的实际意义并不大，了解⼀下即可。

class A {};
class B : public A {};
class Person {
public:
	virtual A* BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
		return nullptr;
	}
};
class Student : public Person {
public:
	virtual B* BuyTicket()
	{
		cout << "买票-打折" << endl;
		return nullptr;
	}
};
void Func(Person* ptr)
{
	ptr->BuyTicket();
}
int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	Func(&ps); //买票 - 全价
	Func(&st); //买票 - 打折
	return 0;
}

析构函数的重写

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看起来不符合重写的规则，实际上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，所以基类的析构函数加了vialtual修饰，派⽣类的析构函数就构成重写。

以上代码我们可以看到，如果~A()，不加virtual，那么delete p2时只调用的A的析构函数，没有调⽤B的析构函数，就会导致内存泄漏问题，因为~B()中在释放资源。

2.6 override & final

从上面可以看出，C++对虚函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，比如函数名写错参数写错等导致无法构成重写，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来debug会得不偿失，因此C++11提供了override，可以帮助用户检测是否重写。如果我们不想让派⽣类重写这个虚函数，那么可以⽤final去修饰。

加了override，程序就会在函数名写错参数写错时，用红线标出。

2.1.7 重载/重写/隐藏的对比

重载

1. 两个函数在同一作用域。

2. 函数名相同，参数不同，参数类型或参数个数不同，返回值可同可不同。

重写

1. 两个函数分别在继承体系的父类和子类不同作用域。

2. 除协变外，函数名参数返回值都相同。

3. 两个函数都是虚函数。

隐藏

1. 两个函数分别在继承体系的父类和子类不同作用域。

2. 函数名相同。

3. 两个函数只要不构成重写就是隐藏。

4.父子类的成员变量相同也叫隐藏。

三纯虚函数和抽象类

在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数，纯虚函数不需要定义实现(实现没啥意义因为要被派生类重写，但是语法上可以实现)，只要声明即可。包含纯虚函数的类叫做抽象类，抽象类不能实例化出对象，如果派生类继承后不重写纯虚函数，那么派生类也是抽象类。纯虚函数某种程度上强制了派生类重写虚函数，因为不重写实例化不出对象。

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;
	}
};
int main()
{
	Car car;// 编译报错：error C2259: “Car”: 无法实例化抽象类
	Car* pBenz = new Benz;
	pBenz->Drive();
	Car* pBMW = new BMW;
	pBMW->Drive();
	return 0;
}

四多态的原理

4.1 虚函数表指针

我们先来看下面这个代码~

class Base
{
public:
	virtual void Func1(){ cout << "Func1()" << endl; }
	virtual void Func2(){ cout << "Func2()" << endl; }
	
protected:
	int _b = 1;//4
	char _ch = 'x';//1->4
};
int main()
{
	Base b;
	cout << sizeof(b) << endl; //12
	return 0;
}

在32位下程序的运行结果为12，除了_b和_ch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，因为⼀个类所有虚函数的地址要被放到这个类对象的虚函数表中，虚函数表也简称虚表。

4.2 多态的原理

4.2.1 多态是如何实现的

从底层的⻆度Func函数中ptr->BuyTicket()，是如何作为ptr指向Person对象调用Person::BuyTicket，ptr指向Student对象调⽤Student::BuyTicket的呢？通过下图我们可以看到，满⾜多态条件后，底层不再是编译时通过调⽤对象确定函数的地址，⽽是运⾏时到指向的对象的虚表中确定对应的虚函数的地址，这样就实现了指针或引⽤指向基类就调⽤基类的虚函数，指向派⽣类就调⽤派⽣类对应的虚函数。第⼀张图，ptr指向的Person对象，调⽤的是Person的虚函数；第⼆张图，ptr指向的Student对象，调⽤的是Student的虚函数。

class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
protected:
	string _name;
};

class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
protected:
	int _id;
};

class Soldier : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-优先" << endl; }
protected:
	string _codename;
};

void Func(Person* ptr)
{
	// 这⾥可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket
	// 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。
	ptr->BuyTicket();
}

int main()
{
	// 其次多态不仅仅发⽣在派⽣类对象之间，多个派⽣类继承基类，重写虚函数后
	// 多态也会发⽣在多个派⽣类之间。
	Person ps;
	Student st;
	Soldier sr;
	Func(&ps);
	Func(&st);
	Func(&sr);
	return 0;
}

指向哪个对象，运行时，到指定对象的虚函数表中找到对应的虚函数地址，进行调用。

4.2.2 动态绑定与静态绑定

对不满足多态条件(指针或者引用+调用虚函数)的函数调用是在编译时绑定，也就是编译时确定调用函数的地址，叫做静态绑定。
满足多态条件的函数调用是在运行时绑定，也就是在运行时到指向对象的虚函数表中找到调用函数的地址，也就做动态绑定。

// ptr是指针+BuyTicket是虚函数满⾜多态条件。
// 这⾥就是动态绑定，编译在运⾏时到ptr指向对象的虚函数表中确定调⽤函数地址
ptr->BuyTicket();
00EF2001 mov eax,dword ptr [ptr]
00EF2004 mov edx,dword ptr [eax]
00EF2006 mov esi,esp
00EF2008 mov ecx,dword ptr [ptr]
00EF200B mov eax,dword ptr [edx]
00EF200D call eax
// BuyTicket不是虚函数，不满⾜多态条件。
// 这⾥就是静态绑定，编译器直接确定调⽤函数地址
ptr->BuyTicket();
00EA2C91 mov ecx,dword ptr [ptr]
00EA2C94 call Student::Student (0EA153Ch)

4.2.3 虚函数表

基类对象的虚函数表中存放基类所有虚函数的地址。
派⽣类由两部分构成，继承下来的基类和自己的成员，⼀般情况下，继承下来的基类中有虚函数表指针，⾃⼰就不会再⽣成虚函数表指针。但是要注意的这⾥继承下来的基类部分虚函数表指针和基类对象的虚函数表指针不是同一个，就像基类对象的成员和派⽣类对象中的基类对象成员也独⽴的。
派⽣类中重写的基类的虚函数，派⽣类的虚函数表中对应的虚函数就会被覆盖成派生类重写的虚函数地址。
派⽣类的虚函数表中包含，基类的虚函数地址，派生类重写的虚函数地址，派生类自己的虚函数地址三个部分。
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0x00000000标记。(这个C++并没有进⾏规定，各个编译器⾃⾏定义的，vs系列编译器会再后⾯放个0x00000000 标记，g++系列编译不会放)
虚函数存在哪的？虚函数和普通函数一样的，编译好后是⼀段指令，都是存在代码段的，只是虚函数的地址又存到了虚表中。
虚函数表存在哪的？这个问题严格说并没有标准答案C++标准并没有规定，我们写下⾯的代码可以对⽐验证⼀下。vs下是存在代码段(常量区)

int main()
{
	int i = 0;
	static int j = 1;
	int* p1 = new int;
	const char* p2 = "xxxxxxxx";
	printf("栈:%p\n", &i);
	printf("静态区:%p\n", &j);
	printf("堆:%p\n", p1);
	printf("常量区:%p\n", p2);
	Base b;
	Derive d;
	Base* p3 = &b;
	Derive* p4 = &d;
	printf("Person虚表地址:%p\n", *(int*)p3);
	printf("Student虚表地址:%p\n", *(int*)p4);
	printf("虚函数地址:%p\n", &Base::func1);
	printf("普通函数地址:%p\n", &Base::func5);
	return 0;
}

栈:010FF954
静态区:0071D000
堆:0126D740
常量区:0071ABA4
Person虚表地址:0071AB44
Student虚表地址:0071AB84
虚函数地址:00711488
普通函数地址:007114BF

~完~

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