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从静态多态、动态多态到虚函数表、虚函数指针

article 2024/9/28 14:21:30

多态（Polymorphism）是面向对象编程中的一个重要概念，它允许不同类的对象对同一消息做出不同的响应。多态性使得可以使用统一的接口来操作不同类的对象，从而提高了代码的灵活性和可扩展性。

一、多态的表现形式

1. 静态多态（编译时多态）

静态多态主要通过函数重载、运算符重载以及模板来实现。通过不同的参数列表、泛型类来选择合适的函数。

重载

#include <iostream>

void print(int a) {
    std::cout << "Integer: " << a << std::endl;
}

void print(double a) {
    std::cout << "Double: " << a << std::endl;
}

int main() {
    print(10);    // 调用 void print(int)
    print(10.5);  // 调用 void print(double)
    return 0;
}

模板

#include <iostream>

template <typename T>
void print(T a) {
    std::cout << "Value: " << a << std::endl;
}

int main() {
    print(10);    // 生成 void print<int>(int)
    print(10.5);  // 生成 void print<double>(double)
    return 0;
}

2. 动态多态（运行时多态）

动态多态主要由虚函数和继承来实现，根据对象的实际类型来调用相应的函数。

#include <iostream>

class Base {
public:
    virtual void print() const {    // 如果这里将virtual注释掉，下面两个都会输出"Base"
        std::cout << "Base" << std::endl;
    }
    virtual ~Base() {} // 虚析构函数
};

class Derived : public Base {
public:
    void print() const override {
        std::cout << "Derived" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base* basePtr = new Base();
    Base* derivedPtr = new Derived();

    basePtr->print();     // 输出 "Base"
    derivedPtr->print();  // 输出 "Derived"

    delete basePtr;
    delete derivedPtr;

    return 0;
}

上面的代码中又提到了把virtual注释掉的情况，这涉及到了 “静态类型” 和 “动态类型” 。在这一部分结束之后会讲到。

二、虚函数表、虚函数指针

虚函数通过运行时的动态绑定，来实现在子类中重写基类的函数。虚函数的原理可以通过虚函数表、虚函数指针来解释。

1. VTable和vptr

·每个包含虚函数的类，都有一个虚函数表VTable，是一个指向函数指针的数组。

·每个对象创建之后，会有一个虚函数指针vptr，指向类的虚函数表VTable。

·当调用虚函数时，会通过vptr查找VTable，然后调用对应的函数。

2. 构造函数不能是虚函数

在对象创建时，编译器会给对象的vptr赋值，然后再调用构造函数，如果构造函数是虚函数，此时就陷入了死循环。

3. 析构函数可以是虚函数

通过将基类的析构函数声明为虚函数，可以确保在通过基类指针删除子类对象时，调用到子类的析构函数，合适地释放资源。

#include <iostream>

class Base {
public:
    virtual ~Base() {
        std::cout << "Base destructor" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() {
        std::cout << "Derived destructor" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base* ptr = new Derived();
    delete ptr; // 先调用 Derived 的析构函数，然后再调用 Base 的析构函数
    return 0;
}

三、静态类型、动态类型

静态类型：是指对象在声明时的类型，在编译期已既定。

动态类型：一个指针、引用目前指向的对象的类型，在运行时确定的。

再来看我们刚才的代码。

在函数调用时，虚函数会根据动态类型来调用，而普通函数就通过静态类型。

#include <iostream>

class Base {
public:
    /*virtual*/ void print() const {    // 将virtual注释掉，下面两个都会输出"Base"
        std::cout << "Base" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:    
    void print() const /*override*/ {    // override和上面的virtual对应
        std::cout << "Derived" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base* basePtr = new Base();        // 静态类型Base，动态类型Base
    Base* derivedPtr = new Derived();  // 静态类型Base，动态类型Derived
    Derived* thirdPtr = new Derived(); // 静态类型Derived，动态类型Derived

    basePtr->print();     // 输出 "Base"
    derivedPtr->print();  // 输出 "Base"
    thirdPtr->print();    // 输出 "Derived"


    delete basePtr;
    delete derivedPtr;
    delete thirdPtr;

    return 0;
}