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C++中的多态详谈

作者:LHlucky_2

多态通俗来说就是多种形态,本文通过实例代码给大家介绍C++中的多态定义及实现,通过实例代码给大家介绍的非常详细,对大家的学习或工作具有一定的参考借鉴价值,需要的朋友参考下吧

1. 多态概念

1.1 概念

2. 多态的定义及实现

2.1 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。

注意:那么在继承中要构成多态还有两个条件:

2.2 虚函数

虚函数:即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

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

2.3 虚函数的重写

注意

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

2.4 代码示例

2.4.1 没构成重写

在这里插入图片描述

2.4.2 构成重写

在这里插入图片描述

2.5 虚函数重写的两个例外

2.5.1 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。

在这里插入图片描述

2.5.2 析构函数的重写

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,即使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

在这里插入图片描述

注意

析构函数在编译以后函数名会统一成destructor。如果不加virtual则会造成重定义(隐藏),如上图代码如果不构成析构函数的重写,则在析构p2时只会析构Student,因为此时成了重定义所以不会自动调用Person里面的析构,造成资源泄漏

2.6 C++11 override 和 final

1. final:修饰虚函数,表示该虚函数不能再被继承

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

2.7 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

3. 抽象类

3.1 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。

在这里插入图片描述

3.2 接口继承和实现继承

4.多态的原理

4.1虚函数表

在这里插入图片描述

通过观察测试我们发现b对象是8bytes,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。

在这里插入图片描述

虚函数表指针(简称虚表指针)

虚函数表本质是一个指针数组(指针是一个虚函数指针),(虚基表->菱形继->存的偏移量)。

在这里插入图片描述

基类和派生类中的虚函数表。

在这里插入图片描述

总结:

4.2多态的原理

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

总结

  1. 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。
  2. 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?
  3. 虚函数覆盖是为了构成多态时不同的对象通过调用对应类中的虚函数表时通过虚函数的地址去找到对应的虚函数。而指针或者引用是因为在找对应的虚函数时是在虚函数表中通过地址查找的。
  4. 通过汇编代码分析,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中去找的。不满足多态的函数调用时编译时确认好的。即不满足多态的函数地址编译时已经确定,而构成多态的虚函数在运行时会通过地址去call。

4.3 动态绑定与静态绑定

5.单继承和多继承关系的虚函数表

5.1 单继承中的虚函数表

在这里插入图片描述

通过代码打印出虚表中的函数:

#include<iostream>
using namespace std;

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;
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
	// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
	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()
{
	Base b;
	Derive d;
	// 思路: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
	// 1.先取b的地址,强转成一个int*的指针
	// 2.再解引用取值,就取到了b对象头4bytes的值,这个值就是指向虚表的指针
	// 3.再强转成VFPTR*,因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。
	// 4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表
	// 5.需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃,因为编译器有时对虚表的处理不干净,虚表最后面没有放nullptr,导致越界,这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的 - 生成 - 清理解决方案,再编译就好了。
	VFPTR * vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
	PrintVTable(vTableb);
	VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
	PrintVTable(vTabled);
	return 0;
}

在这里插入图片描述

5.2 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;
}

在这里插入图片描述

6. 相关题目

1. inline函数可以是虚函数吗?

答:能,virtual函数可以写成inline函数,不会造成语法错误。虚函数是在运行的时候才决定调用基类或者子类的对应函数,inline函数是在编译期间来决定展开与否。虚函数是在运行的时候才决定调用基类或者子类的对应函数,inline函数是在编译期间来决定展开与否。虚函数是在运行的时候才决定调用基类或者子类的对应函数,inline函数是在编译期间来决定展开与否。

2. 静态成员可以是虚函数吗?

答: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。

3. 构造函数可以是虚函数吗?

答: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。

4. 析构函数可以是虚函数吗?什么场景下析构函数是虚函数?

答:可以,并且最好把基类的析构函数定义成虚函数。

5. 对象访问普通函数快还是虚函数更快?

答: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。

6. 虚函数表是在什么阶段生成的,存在哪的?

答: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)的。

到此这篇关于C++多态详谈的文章就介绍到这了,更多相关C++多态内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家!

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