一篇文章帶你了解C++多態(tài)的實現(xiàn)原理
虛函數(shù)和多態(tài)
虛函數(shù)：
- 在類的定義中，前面有 virtual 關(guān)鍵字的成員函數(shù)稱為虛函數(shù)
- virtual 關(guān)鍵字只用在類定義里的函數(shù)聲明中，寫函數(shù)體時不用
比如：
class Base
{
virtual int Fun() ; // 虛函數(shù)
};
int Base::Fun() // virtual 字段不用在函數(shù)體時定義
{ }
- 多態(tài)的表現(xiàn)形式 派生類的指針」
- 可以賦給「基類指針」通過基類指針調(diào)用基類和派生類中的同名「虛函數(shù)」時
1.若該指針指向一個基類的對象，那么被調(diào)用是 基類的虛函數(shù)；
2.若該指針指向一個派生類的對象，那么被調(diào)用 的是派生類的虛函數(shù)
#include <iostream>
using namespace std;
class Animal
{
public:
virtual void speak()
{
cout << "動物在說話" << endl;
}
};
class Cat: public Animal
{
public:
void speak()
{
cout << "貓在叫" << endl;
}
};
void test01()
{
Cat cat;
Animal* p = &cat;//Animal *p=new Cat
p->speak();//用哪個虛函數(shù)取決于 p 指向哪種類型的對象
}
int main()
{
test01();
}
派生類的對象可以賦給基類「引用」通過基類引用調(diào)用基類和派生類中的同名「虛函數(shù)」時
1.若該引用引用的是一個基類的對象，那么被調(diào) 用是基類的虛函數(shù)
2.若該引用引用的是一個派生類的對象，那么被 調(diào)用的是派生類的虛函數(shù)
比如：
#include <iostream>
using namespace std;
class Animal
{
public:
virtual void speak()
{
cout << "動物在說話" << endl;
}
};
class Cat: public Animal
{
public:
void speak()
{
cout << "貓在叫" << endl;
}
};
void test01()
{
Cat cat;
Animal& p = cat;
p.speak();
}
int main()
{
test01();
}
多態(tài)的作用
在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計中使用「多態(tài)」，能夠增強程序的可擴充性，即程序需要修改或增加功能的時候，需要改動和增加的代碼較少。
多態(tài)的一個例子
比如：
class Base
{
public:
void fun1()
{
fun2();
}
virtual void fun2() // 虛函數(shù)
{
cout << "Base::fun2()" << endl;
}
};
class Derived : public Base
{
public:
virtual void fun2() // 虛函數(shù)
{
cout << "Derived:fun2()" << endl;
}
};
int main()
{
Derived d;
Base * pBase = & d;
pBase->fun1();
return 0;
}
請問輸出結(jié)果是什么？
我們可能會認(rèn)為pBase 指針對象雖然指向的是派生類對象，但是派生類里沒有 fun1 成員函數(shù)，則就調(diào)用基類的 fun1 成員函數(shù)，Base::fun1() 里又會調(diào)用基類的 fun2 成員函數(shù)，所以輸出結(jié)果是Base::fun2()
但結(jié)果卻是Derived:fun2()，為什么會這樣？
我們將代碼修改一下
class Base
{
public:
void fun1()
{
this->fun2(); // this是基類指針，fun2是虛函數(shù)，所以是多態(tài)
}
}
this指針的作用域是在類內(nèi)部，當(dāng)在類的非靜態(tài)成員函數(shù)中訪問類的非靜態(tài)成員的時候，編譯器會自動將對象本身的地址作為一個隱含參數(shù)傳遞給函數(shù)，其作用就是指向成員函數(shù)所作用的對象，所以非靜態(tài)成員函數(shù)中可以直接使用 this 來代表指向該函數(shù)作用的對象的指針。
pBase 指針對象指向的是派生類對象，派生類里沒有 fun1 成員函數(shù)，所以就會調(diào)用基類的 fun1 成員函數(shù)，在Base::fun1() 成員函數(shù)體里執(zhí)行 this->fun2() 時，實際上指向的是派生類對象的 fun2 成員函數(shù)。
所以我們需要注意：
- 在非構(gòu)造函數(shù)，非析構(gòu)函數(shù)的成員函數(shù)中調(diào)用「虛函數(shù)」，是多態(tài)
構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)中存在多態(tài)嗎？
在構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)中調(diào)用「虛函數(shù)」，不是多態(tài)。編譯時即可確定，調(diào)用的函數(shù)是自己的類或基類中定義的函數(shù)，不會等到運行時才決定調(diào)用自己的還是派生類的函數(shù)。
#include <iostream>
using namespace std;
// 基類
class CFather
{
public:
virtual void hello() // 虛函數(shù)
{
cout << "hello from father" << endl;
}
virtual void bye() // 虛函數(shù)
{
cout << "bye from father" << endl;
}
};
// 派生類
class CSon : public CFather
{
public:
CSon() // 構(gòu)造函數(shù)
{
hello();
}
~CSon() // 析構(gòu)函數(shù)
{
bye();
}
virtual void hello() // 虛函數(shù)
{
cout << "hello from son" << endl;
}
};
int main()
{
CSon son;
CFather* pfather;
pfather = &son;
pfather->hello(); //多態(tài)
return 0;
}
結(jié)果為：
hello from son // 構(gòu)造son對象時執(zhí)行的構(gòu)造函數(shù)
hello from son // 多態(tài)
bye from father // son對象析構(gòu)時，由于CSon類沒有bye成員函數(shù)，所以調(diào)用了基類的bye成員函數(shù)
多態(tài)的實現(xiàn)原理
「多態(tài)」的關(guān)鍵在于通過基類指針或引用調(diào)用一個虛函數(shù)時，編譯時不能確定到底調(diào)用的是基類還是派生類的函數(shù)，運行時才能確定。
class A
{
public:
int i;
virtual void Print() { } // 虛函數(shù)
};
class B
{
public:
int n;
void Print() { }
};
int main()
{
cout << sizeof(A) << ","<< sizeof(B);
return 0;
}
在32位機子中：8 4
從上面的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)有虛函數(shù)的類，多出了4 個字節(jié)，在 32 位機子上指針類型大小正好是 4 個字節(jié)，這多出 4 個字節(jié)的指針有什么作用呢？
虛函數(shù)表
每一個有「虛函數(shù)」的類（或有虛函數(shù)的類的派生類）都有一個「虛函數(shù)表」，該類的任何對象中都放著虛函數(shù)表的指針?！柑摵瘮?shù)表」中列出了該類的「虛函數(shù)」地址。
多出來的 8 個字節(jié)就是用來放「虛函數(shù)表」的地址。
// 基類
class Base
{
public:
int i;
virtual void Print() { } // 虛函數(shù)
};
// 派生類
class Derived : public Base
{
public:
int n;
virtual void Print() { } // 虛函數(shù)
};
上面 Derived 類繼承了 Base類，兩個類都有「虛函數(shù)」，那么它「虛函數(shù)表」的形式可以理解成下圖：
多態(tài)的函數(shù)調(diào)用語句被編譯成一系列根據(jù)基類指針?biāo)赶虻模ɑ蚧愐盟玫模ο笾写娣诺奶摵瘮?shù)表的地址，在虛函數(shù)表中查找虛函數(shù)地址，并調(diào)用虛函數(shù)的指令
虛析構(gòu)函數(shù)
析構(gòu)函數(shù)是在刪除對象或退出程序的時候，自動調(diào)用的函數(shù)，其目的是做一些資源釋放。
那么在多態(tài)的情景下，通過基類的指針刪除派生類對象時，通常情況下只調(diào)用基類的析構(gòu)函數(shù)，這就會存在派生類對象的析構(gòu)函數(shù)沒有調(diào)用到，存在資源泄露的情況。
比如：
// 基類
class A
{
public:
A() // 構(gòu)造函數(shù)
{
cout << "construct A" << endl;
}
~A() // 析構(gòu)函數(shù)
{
cout << "Destructor A" << endl;
}
};
// 派生類
class B : public A
{
public:
B() // 構(gòu)造函數(shù)
{
cout << "construct B" << endl;
}
~B()// 析構(gòu)函數(shù)
{
cout << "Destructor B" << endl;
}
};
int main()
{
A *pa = new B();
delete pa;
return 0;
}
輸出結(jié)果：
construct A
construct B
Destructor A
從上面的輸出結(jié)果可以看到，在刪除 pa指針對象時，B 類的析構(gòu)函數(shù)沒有被調(diào)用
解決辦法：把基類的析構(gòu)函數(shù)聲明為virtual
- 派生類的析構(gòu)函數(shù)可以 virtual 不進行聲明
- 通過基類的指針刪除派生類對象時，首先調(diào)用派生類的析構(gòu)函數(shù)，然后調(diào)用基類的析構(gòu)函數(shù)，還是遵循「先構(gòu)造，后虛構(gòu)」的規(guī)則
// 基類
class A
{
public:
A()
{
cout << "construct A" << endl;
}
virtual ~A() // 虛析構(gòu)函數(shù)
{
cout << "Destructor A" << endl;
}
};
輸出結(jié)果：
construct A
construct B
Destructor B
Destructor A
純虛函數(shù)和抽象類
純虛函數(shù)： 沒有函數(shù)體的虛函數(shù)
class A
{
public:
virtual void Print( ) = 0 ; //純虛函數(shù)
private:
int a;
};
包含純虛函數(shù)的類叫抽象類
- 抽象類只能作為基類來派生新類使用，不能創(chuàng)建抽象類的對象
- 抽象類的指針和引用可以指向由抽象類派生出來的類的對象
A a; // 錯，A 是抽象類，不能創(chuàng)建對象 A * pa ; // ok,可以定義抽象類的指針和引用 pa = new A ; // 錯誤, A 是抽象類，不能創(chuàng)建對象
總結(jié)
本篇文章就到這里了，希望能給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容！
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