C++中的多態(tài)詳談
1. 多態(tài)概念
1.1 概念
- 多態(tài)的概念:通俗來說,就是多種形態(tài),具體點(diǎn)就是去完成某個(gè)行為,當(dāng)不同的對(duì)象去完成時(shí)會(huì)產(chǎn)生出不同的狀態(tài)。
- 舉個(gè)栗子:比如買票,當(dāng)普通人買票時(shí),是全價(jià)買票;學(xué)生買票時(shí),是半價(jià)買票;軍人買票時(shí)是優(yōu)先買票。同一個(gè)事情針對(duì)不同的人或情況有不同的結(jié)果或形態(tài)。
2. 多態(tài)的定義及實(shí)現(xiàn)
2.1 多態(tài)的構(gòu)成條件
多態(tài)是在不同繼承關(guān)系的類對(duì)象,去調(diào)用同一函數(shù),產(chǎn)生了不同的行為
。比如Student繼承了Person。
Person對(duì)象買票全價(jià),Student對(duì)象買票半價(jià)。
注意
:那么在繼承中要構(gòu)成多態(tài)還有兩個(gè)條件:
- 必須通過
基類的指針或者引用
調(diào)用虛函數(shù)。 - 被調(diào)用的函數(shù)必須是**
虛函數(shù)
,且派生類必須對(duì)基類的虛函數(shù)進(jìn)行重寫。
2.2 虛函數(shù)
虛函數(shù)
:即被virtual
修飾的類成員函數(shù)稱為虛函數(shù)。
class Person { public: virtual void BuyTicket() { cout << "買票-全價(jià)" << endl;} };
2.3 虛函數(shù)的重寫
- 虛函數(shù)的重寫(覆蓋):派生類中有一個(gè)跟基類完全相同的虛函數(shù)(即派生類虛函數(shù)與基類虛函數(shù)的
返回值類型、函數(shù)名字、參數(shù)列表完全相同
),稱子類的虛函數(shù)重寫了基類的虛函數(shù)。
注意
:
- 在重寫基類虛函數(shù)時(shí),
派生類的虛函數(shù)在不加virtual關(guān)鍵字時(shí),雖然也可以構(gòu)成重寫
(因?yàn)槔^ - 承后基類的虛函數(shù)被繼承下來了在派生類依舊保持虛函數(shù)屬性),但是該種寫法不是很規(guī)范,不建議這樣使用。
class Person { public: virtual void BuyTicket() { cout << "買票-全價(jià)" << endl; } }; class Student : public Person { public: void BuyTicket() { cout << "買票-半價(jià)" << endl; } };
2.4 代碼示例
2.4.1 沒構(gòu)成重寫
2.4.2 構(gòu)成重寫
2.5 虛函數(shù)重寫的兩個(gè)例外
2.5.1 協(xié)變
派生類重寫基類虛函數(shù)時(shí),與基類虛函數(shù)返回值類型不同。即基類虛函數(shù)返回基類對(duì)象的指針或者引用,派生類虛函數(shù)返回派生類對(duì)象的指針或者引用時(shí),稱為協(xié)變。
2.5.2 析構(gòu)函數(shù)的重寫
如果基類的析構(gòu)函數(shù)為虛函數(shù),此時(shí)派生類析構(gòu)函數(shù)只要定義,無論是否加virtual關(guān)鍵字,都與基類的析構(gòu)函數(shù)構(gòu)成重寫,即使基類與派生類析構(gòu)函數(shù)名字不同。雖然函數(shù)名不相同,看起來違背了重寫的規(guī)則,其實(shí)不然,這里可以理解為編譯器對(duì)析構(gòu)函數(shù)的名稱做了特殊處理,編譯后析構(gòu)函數(shù)的名稱統(tǒng)一處理成destructor
。
注意
:
析構(gòu)函數(shù)在編譯以后函數(shù)名會(huì)統(tǒng)一成destructor。如果不加virtual則會(huì)造成重定義(隱藏),如上圖代碼如果不構(gòu)成析構(gòu)函數(shù)的重寫,則在析構(gòu)p2時(shí)只會(huì)析構(gòu)Student,因?yàn)榇藭r(shí)成了重定義所以不會(huì)自動(dòng)調(diào)用Person里面的析構(gòu),造成資源泄漏
。
2.6 C++11 override 和 final
- C++對(duì)函數(shù)重寫的要求比較嚴(yán)格,但是有些情況下由于疏忽,可能會(huì)導(dǎo)致函數(shù)名字母次序?qū)懛炊鵁o法構(gòu)成重載,而這種錯(cuò)誤在編譯期間是不會(huì)報(bào)出的,只有在程序運(yùn)行時(shí)沒有得到預(yù)期結(jié)果才來debug會(huì)得不償失。
- 因此:C++11提供了override和final兩個(gè)關(guān)鍵字,可以
幫助用戶檢測(cè)是否重寫
。
1. final:修飾虛函數(shù),表示該虛函數(shù)不能再被繼承
2. override: 檢查派生類虛函數(shù)是否重寫了基類某個(gè)虛函數(shù),如果沒有重寫編譯報(bào)錯(cuò)。
2.7 重載、覆蓋(重寫)、隱藏(重定義)的對(duì)比
3. 抽象類
3.1 概念
在虛函數(shù)的后面寫上 =0 ,則這個(gè)函數(shù)為純虛函數(shù)。包含純虛函數(shù)的類叫做抽象類(也叫接口類),抽象類不能實(shí)例化出對(duì)象
。派生類繼承后也不能實(shí)例化出對(duì)象,只有重寫純虛函數(shù),派生類才能實(shí)例化出對(duì)象。純虛函數(shù)規(guī)范了派生類必須重寫,另外純虛函數(shù)更體現(xiàn)出了接口繼承。
3.2 接口繼承和實(shí)現(xiàn)繼承
- 普通函數(shù)的繼承是一種實(shí)現(xiàn)繼承,派生類繼承了基類函數(shù),可以使用函數(shù),繼承的是函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。
- 虛函數(shù)的繼承是一種接口繼承,派生類繼承的是基類虛函數(shù)的接口,目的是為了重寫,達(dá)成多態(tài),
繼承的是接口
。所以如果不實(shí)現(xiàn)多態(tài),不要把函數(shù)定義成虛函數(shù)。
4.多態(tài)的原理
4.1虛函數(shù)表
通過觀察測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)b對(duì)象是8bytes,除了_b成員,還多一個(gè)__vfptr放在對(duì)象的前面(注意有些平臺(tái)可能會(huì)放到對(duì)象的最后面,這個(gè)跟平臺(tái)有關(guān)),對(duì)象中的這個(gè)指針我們叫做虛函數(shù)表指針(v代表virtual,f代表function)
。一個(gè)含有虛函數(shù)的類中都至少都有一個(gè)虛函數(shù)表指針,因?yàn)樘摵瘮?shù)的地址要被放到虛函數(shù)表中,虛函數(shù)表也簡(jiǎn)稱虛表。
虛函數(shù)表指針(簡(jiǎn)稱虛表指針)
虛函數(shù)表本質(zhì)是一個(gè)指針數(shù)組(指針是一個(gè)虛函數(shù)指針),(虛基表->菱形繼->存的偏移量)。
基類和派生類中的虛函數(shù)表。
總結(jié):
- 基類b對(duì)象和派生類d對(duì)象虛表是不一樣的,這里我們發(fā)現(xiàn)Func1完成了重寫,所以d的虛表中存的是重寫的Derive::Func1,所以虛函數(shù)的重寫也叫作覆蓋,覆蓋就是指虛表中虛函數(shù)的覆蓋。重寫是語法的叫法,覆蓋是原理層的叫法。
- 另外Func2繼承下來后是虛函數(shù),所以放進(jìn)了虛表,F(xiàn)unc3也繼承下來了,但是不是虛函數(shù),所以不會(huì)放進(jìn)虛表。
- 虛函數(shù)表本質(zhì)是一個(gè)存虛函數(shù)指針的指針數(shù)組,這個(gè)數(shù)組最后面放了一個(gè)nullptr。
- 派生類的虛表生成:
- a.先將基類中的虛表內(nèi)容拷貝一份到派生類虛表中
- b.如果派生類重寫了基類中某個(gè)虛函數(shù),用派生類自己的虛函數(shù)覆蓋虛表中基類的虛函數(shù)
- c.派生類自己新增加的虛函數(shù)按其在派生類中的聲明次序增加到派生類虛表的最后。
- 虛函數(shù)存在哪的?虛表存在哪的?
- 虛函數(shù)在代碼段,虛函數(shù)表也在代碼段。虛函數(shù)表中存放的是虛函數(shù)地址。對(duì)象里面是虛函數(shù)表的指針。
4.2多態(tài)的原理
總結(jié)
:
- 這樣就實(shí)現(xiàn)出了不同對(duì)象去完成同一行為時(shí),展現(xiàn)出不同的形態(tài)。
- 反過來思考我們要達(dá)到多態(tài),有兩個(gè)條件,一個(gè)是虛函數(shù)覆蓋,一個(gè)是對(duì)象的指針或引用調(diào)用虛函數(shù)?
- 虛函數(shù)覆蓋是為了構(gòu)成多態(tài)時(shí)不同的對(duì)象通過調(diào)用對(duì)應(yīng)類中的虛函數(shù)表時(shí)通過虛函數(shù)的地址去找到對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)。而指針或者引用是因?yàn)樵谡覍?duì)應(yīng)的虛函數(shù)時(shí)是在虛函數(shù)表中通過地址查找的。
- 通過匯編代碼分析,看出滿足多態(tài)以后的函數(shù)調(diào)用,不是在編譯時(shí)確定的,是運(yùn)行起來以后到對(duì)象中去找的。不滿足多態(tài)的函數(shù)調(diào)用時(shí)編譯時(shí)確認(rèn)好的。即不滿足多態(tài)的函數(shù)地址編譯時(shí)已經(jīng)確定,而構(gòu)成多態(tài)的虛函數(shù)在運(yùn)行時(shí)會(huì)通過地址去call。
4.3 動(dòng)態(tài)綁定與靜態(tài)綁定
- 靜態(tài)綁定又稱為前期綁定(早綁定),在程序編譯期間確定了程序的行為,也稱為靜態(tài)多態(tài),比如:函數(shù)重載。
- 動(dòng)態(tài)綁定又稱后期綁定(晚綁定),是在程序運(yùn)行期間,根據(jù)具體拿到的類型確定程序的具體行為,調(diào)用具體的函數(shù),也稱為動(dòng)態(tài)多態(tài)。
5.單繼承和多繼承關(guān)系的虛函數(shù)表
5.1 單繼承中的虛函數(shù)表
通過代碼打印出虛表中的函數(shù):
#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[]) { // 依次取虛表中的虛函數(shù)指針打印并調(diào)用。調(diào)用就可以看出存的是哪個(gè)函數(shù) cout << " 虛表地址>" << vTable << endl; for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i) { printf(" 第%d個(gè)虛函數(shù)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對(duì)象的頭4bytes,就是虛表的指針,前面我們說了虛函數(shù)表本質(zhì)是一個(gè)存虛函數(shù)指針的指針數(shù)組,這個(gè)數(shù)組最后面放了一個(gè)nullptr // 1.先取b的地址,強(qiáng)轉(zhuǎn)成一個(gè)int*的指針 // 2.再解引用取值,就取到了b對(duì)象頭4bytes的值,這個(gè)值就是指向虛表的指針 // 3.再?gòu)?qiáng)轉(zhuǎn)成VFPTR*,因?yàn)樘摫砭褪且粋€(gè)存VFPTR類型(虛函數(shù)指針類型)的數(shù)組。 // 4.虛表指針傳遞給PrintVTable進(jìn)行打印虛表 // 5.需要說明的是這個(gè)打印虛表的代碼經(jīng)常會(huì)崩潰,因?yàn)榫幾g器有時(shí)對(duì)虛表的處理不干凈,虛表最后面沒有放nullptr,導(dǎo)致越界,這是編譯器的問題。我們只需要點(diǎn)目錄欄的 - 生成 - 清理解決方案,再編譯就好了。 VFPTR * vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b); PrintVTable(vTableb); VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d); PrintVTable(vTabled); return 0; }
5.2 多繼承中的虛函數(shù)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 << " 虛表地址>" << vTable << endl; for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i) { printf(" 第%d個(gè)虛函數(shù)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; }
6. 相關(guān)題目
1. inline函數(shù)可以是虛函數(shù)嗎?
答:能,virtual函數(shù)可以寫成inline函數(shù),不會(huì)造成語法錯(cuò)誤。虛函數(shù)是在運(yùn)行的時(shí)候才決定調(diào)用基類或者子類的對(duì)應(yīng)函數(shù),inline函數(shù)是在編譯期間來決定展開與否。虛函數(shù)是在運(yùn)行的時(shí)候才決定調(diào)用基類或者子類的對(duì)應(yīng)函數(shù),inline函數(shù)是在編譯期間來決定展開與否。虛函數(shù)是在運(yùn)行的時(shí)候才決定調(diào)用基類或者子類的對(duì)應(yīng)函數(shù),inline函數(shù)是在編譯期間來決定展開與否。
2. 靜態(tài)成員可以是虛函數(shù)嗎?
答:不能,因?yàn)殪o態(tài)成員函數(shù)沒有this指針,使用類型::成員函數(shù)的調(diào)用方式無法訪問虛函數(shù)表,所以靜態(tài)成員函數(shù)無法放進(jìn)虛函數(shù)表。
3. 構(gòu)造函數(shù)可以是虛函數(shù)嗎?
答:不能,因?yàn)閷?duì)象中的虛函數(shù)表指針是在構(gòu)造函數(shù)初始化列表階段才初始化的。
4. 析構(gòu)函數(shù)可以是虛函數(shù)嗎?什么場(chǎng)景下析構(gòu)函數(shù)是虛函數(shù)?
答:可以,并且最好把基類的析構(gòu)函數(shù)定義成虛函數(shù)。
5. 對(duì)象訪問普通函數(shù)快還是虛函數(shù)更快?
答:首先如果是普通對(duì)象,是一樣快的。如果是指針對(duì)象或者是引用對(duì)象,則調(diào)用的普通函數(shù)快,因?yàn)闃?gòu)成多態(tài),運(yùn)行時(shí)調(diào)用虛函數(shù)需要到虛函數(shù)表中去查找。
6. 虛函數(shù)表是在什么階段生成的,存在哪的?
答:虛函數(shù)表是在編譯階段就生成的,一般情況下存在代碼段(常量區(qū))的。
到此這篇關(guān)于C++多態(tài)詳談的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++多態(tài)內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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