C++ 超全面講解多態(tài)

更新時(shí)間：2022年04月15日 10:21:45 作者：m0_52012656

這篇文章主要介紹了C++多態(tài)的原理與實(shí)現(xiàn)，多態(tài)是一種面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思路，本身和C++不是強(qiáng)綁定的，其他語(yǔ)言當(dāng)中一樣有多態(tài)，只不過(guò)實(shí)現(xiàn)的方式可能有所不同。下面來(lái)一起了解更多詳細(xì)內(nèi)容吧

多態(tài)的概念

概念：通俗的來(lái)說(shuō)就是多種形態(tài)，具體就是去完成某個(gè)行為，當(dāng)不同類(lèi)型的對(duì)象去完成同一件事時(shí)，產(chǎn)生的動(dòng)作是不一樣的，結(jié)果也是不一樣的。

舉一個(gè)現(xiàn)實(shí)中的例子：買(mǎi)票這個(gè)行為，當(dāng)普通人買(mǎi)票時(shí)是全價(jià)；學(xué)生是半價(jià)；軍人是不需要排隊(duì)。

多態(tài)也分為兩種：

靜態(tài)的多態(tài)：函數(shù)調(diào)用
動(dòng)態(tài)的多態(tài)：父類(lèi)指針或引用調(diào)用重寫(xiě)虛函數(shù)。

這里的靜態(tài)是指在編譯時(shí)實(shí)現(xiàn)多態(tài)的，而動(dòng)態(tài)是在運(yùn)行時(shí)完成的。

多態(tài)的定義及實(shí)現(xiàn)

構(gòu)成條件

多態(tài)一定是建立在繼承上的，那么除了繼承還要兩個(gè)條件：

必須通過(guò)基類(lèi)（父類(lèi)）的指針或引用調(diào)用函數(shù)
被調(diào)用的函數(shù)必須是虛函數(shù)，且派生類(lèi)（子類(lèi)）必須對(duì)積累的虛函數(shù)進(jìn)行重寫(xiě)。

虛函數(shù)

概念：被virtual修飾的類(lèi)成員函數(shù)稱為虛函數(shù)

class Person
{
public:
    virtual void BuyTicket()
    {
        cout<<"全價(jià)票"<<endl;
    }
};

注意：

只有類(lèi)的非靜態(tài)成員函數(shù)可以是虛函數(shù)
虛函數(shù)這里virtual和虛繼承中用的是同一個(gè)關(guān)鍵字，但是他們之間沒(méi)有關(guān)系；虛函數(shù)這里是為了實(shí)現(xiàn)多態(tài)；虛繼承是為了解決菱形繼承的數(shù)據(jù)冗余和二義性，它們沒(méi)有關(guān)聯(lián)

虛函數(shù)的重寫(xiě)

概念：派生類(lèi)（子類(lèi)）中有一個(gè)跟基類(lèi)（父類(lèi)）完全相同的虛函數(shù)（即派生類(lèi)虛函數(shù)與基類(lèi)虛函數(shù)的返回值類(lèi)型，函數(shù)名字，參數(shù)列表完全相同），稱子類(lèi)的虛函數(shù)重寫(xiě)了基類(lèi)的虛函數(shù)。

例：

class Person
{
public:
    virtual void BuyTicket()
    {
        cout<<"全價(jià)票"<<endl;
    }
};
?
class Student :public Person
{
public:
    //子類(lèi)的虛函數(shù)重寫(xiě)了父類(lèi)的虛函數(shù)
    virtual void BuyTicket()
    {
        cout<<"半價(jià)票"<<endl;
    }
};
?
class Soldier : public Person
{
public:
    //子類(lèi)的虛函數(shù)重寫(xiě)了父類(lèi)的虛函數(shù)
    virtual void BuyTicket()
    {
        cout<<"優(yōu)先買(mǎi)票"<<endl;
    }
};
//多態(tài)的實(shí)現(xiàn)
void f(Person& p)//這塊的參數(shù)必須是引用或者指針
{
    p.BuyTicket();
}
?
int main()
{
    Person p;
    Student st;
    Soldier so;
    
    f(p);
    f(st);
    f(so);
    
    return 0;
}

注意：這里子函數(shù)的虛函數(shù)可以不加virtual，也算完成了重寫(xiě)，但是父類(lèi)的虛函數(shù)必須要加，因?yàn)樽宇?lèi)是先繼承父類(lèi)的虛函數(shù)，繼承下來(lái)后就有了virtual屬性了，子類(lèi)只是重寫(xiě)這個(gè)virtual函數(shù)；除了這個(gè)原因之外，還有一個(gè)原因，如果父類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)加了virtual，子類(lèi)加不加都一定完成了重寫(xiě)，就保證了delete時(shí)一定能實(shí)現(xiàn)多態(tài)的正確調(diào)用析構(gòu)函數(shù)。

虛函數(shù)重寫(xiě)的兩個(gè)例外

1、協(xié)變

概念：派生類(lèi)重寫(xiě)基類(lèi)虛函數(shù)時(shí)，與基類(lèi)虛函數(shù)返回值類(lèi)型不同。即基類(lèi)虛函數(shù)返回基類(lèi)對(duì)象的指針或者引用，派生類(lèi)虛函數(shù)返回派生類(lèi)對(duì)象的指針或者引用時(shí)，稱為協(xié)變

例：

class A{};
class B : public A{};
?
class Person
{
public:
    virtual A* f()
    {
        return new A;
    }
};
?
class Student : public Person
{
public:
    virtual B* f()           //返回值不同但是構(gòu)成虛函數(shù)重寫(xiě)
    {
        return new B;
    }
};

2、析構(gòu)函數(shù)的重寫(xiě)

如果基類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)為虛函數(shù)，此時(shí)派生類(lèi)析構(gòu)函數(shù)只要定義，無(wú)論是否加virtual關(guān)鍵字，都與基類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)構(gòu)成重寫(xiě)，雖然基類(lèi)與派生類(lèi)析構(gòu)函數(shù)名字不同。雖然函數(shù)名不相同，看起來(lái)違背了重寫(xiě)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

例：

class Person {
public:
    //建議把父類(lèi)析構(gòu)函數(shù)定義為虛函數(shù)，這樣方便子類(lèi)的虛函數(shù)重寫(xiě)父類(lèi)的虛函數(shù)
    virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};
?
class Student : public Person {
public:
    virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
// 只有派生類(lèi)Student的析構(gòu)函數(shù)重寫(xiě)了Person的析構(gòu)函數(shù)，下面的delete對(duì)象調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，才能構(gòu)成多態(tài)，才能保證p1和p2指向的對(duì)象正確的調(diào)用析構(gòu)函數(shù)。
int main()
{
    Person* p1 = new Person;
   //這里p2指向的子類(lèi)對(duì)象，應(yīng)該調(diào)用子類(lèi)析構(gòu)函數(shù)，如果沒(méi)有調(diào)用的話，就可能內(nèi)存泄漏
    Person* p2 = new Student;
    //多態(tài)行為
    delete p1;
    delete p2;
    //只有析構(gòu)函數(shù)重寫(xiě)了那么這里delete父類(lèi)指針調(diào)用析構(gòu)函數(shù)才能實(shí)現(xiàn)多態(tài)。
    return 0;
}

C++11 override和finel

從上面可以看出，C++對(duì)函數(shù)重寫(xiě)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(wú)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(méi)有得到預(yù)期結(jié)果才來(lái)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(xiě)

final:修飾虛函數(shù)，表示該虛函數(shù)不能再被重寫(xiě)

class Car
{
public:
    virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
    //會(huì)在這塊報(bào)錯(cuò)，因?yàn)榛?lèi)的虛函數(shù)已經(jīng)被final修飾，不能被重寫(xiě)了
    virtual void Drive() {cout << "Benz-舒適" << endl;}
};

override: 檢查派生類(lèi)虛函數(shù)是否重寫(xiě)了基類(lèi)某個(gè)虛函數(shù)，如果沒(méi)有重寫(xiě)編譯報(bào)錯(cuò)

class Car{
public:
    virtual void Drive(){}
};
class Benz :public Car {
public:
    virtual void Drive() override {cout << "Benz-舒適" << endl;}
};

重載、覆蓋（重寫(xiě)）、隱藏（重定義）的對(duì)比

抽象類(lèi)

抽象類(lèi)的概念

純虛函數(shù)：在虛函數(shù)的后面加上=0就是純虛函數(shù)，有純虛函數(shù)的類(lèi)就是抽象類(lèi)，也叫接口類(lèi)，抽象類(lèi)無(wú)法實(shí)例化對(duì)象。抽象類(lèi)的子類(lèi)不重寫(xiě)父類(lèi)的虛函數(shù)的話，也是一個(gè)抽象類(lèi)。

//抽象類(lèi)的定義
class Car
{
public:
    virtual void run()=0;   //不用實(shí)現(xiàn)只寫(xiě)接口就行。   
};

純虛函數(shù)不寫(xiě)函數(shù)體，并不意味著不能實(shí)現(xiàn)，只是我們不寫(xiě)。因?yàn)閷?xiě)出來(lái)也沒(méi)有人用。

虛函數(shù)的作用

強(qiáng)制子類(lèi)重寫(xiě)虛函數(shù)，完成多態(tài)。
表示抽象類(lèi)。

接口繼承和實(shí)現(xiàn)繼承

普通函數(shù)的繼承就是實(shí)現(xiàn)繼承，虛函數(shù)的繼承就是接口繼承。子類(lèi)繼承了函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，可以直接使用。虛函數(shù)重寫(xiě)后只會(huì)繼承接口，重寫(xiě)實(shí)現(xiàn)。所以如果不用多態(tài)，就不要把函數(shù)寫(xiě)為虛函數(shù)。

純虛函數(shù)就體現(xiàn)了接口函數(shù)。下面我們來(lái)實(shí)現(xiàn)一道題，展現(xiàn)一下接口繼承。

class A
{
public:
    virtual void fun(int val=0) 
    {
        cout<<"A->val = "<<val <<endl;
    }
    void Fun()
    {
        fun();
    }
};
?
class B:public A
{
public:
    virtual void fun(int val=1)
    {
        cout<<"B->val"<<val<<endl;
    }
};
?
int main()
{
    B b;
    A* a=&b;
    a->Fun();
    return 0;
}

結(jié)果打印為：B->val=0

子類(lèi)對(duì)象切片給父類(lèi)指針，傳給Fun函數(shù)，滿足多態(tài)，會(huì)去調(diào)用子類(lèi)的fun函數(shù)，但是子類(lèi)的虛函數(shù)繼承了父類(lèi)的接口，所以val是父類(lèi)的0。

多態(tài)的原理

虛函數(shù)表

class A
{
public:
    virtual void fun()
    {
        
    }
    protected:
    int _a;
};

sizeof(A)是多少？

打印出來(lái)是8。

我們定義了一個(gè)A類(lèi)型的對(duì)象a,打開(kāi)調(diào)試窗口，發(fā)現(xiàn)a的內(nèi)容如下

我們發(fā)現(xiàn)出了成員變量_a以外，還多了一個(gè)指針，這個(gè)指針是不準(zhǔn)確的，實(shí)際上應(yīng)該是 _vftptr(virtual function table pointer),虛函數(shù)表指針。在計(jì)算類(lèi)大小的時(shí)候要加上這個(gè)指針的大小。虛表就是存放虛函數(shù)的地址地方，當(dāng)我們?nèi)フ{(diào)用虛函數(shù)，編譯器就會(huì)通過(guò)虛表指針去虛表里查找。

class A
{
public:
    void fun1()
    {
        
    }
    virtual void fun2()
    {}
};
?
int main()
{
    A* a=nullptr;
    a->fun1();//調(diào)用函數(shù)，因?yàn)檫@是普通函數(shù)的調(diào)用
    a->fun2();//調(diào)用失敗，虛函數(shù)需要對(duì)指針操作，無(wú)法操作空指針。
    return 0;
}

實(shí)現(xiàn)一個(gè)繼承

class A
{
    public:
    virtual void fun1()
    {}
    virtual void fun2()
    {}
};
class B : public A
{
    public:
    virtual void fun1()
    {}
    virtual void fun2()
    {}
};
?
int main()
{
    A a;
    B b;
    return 0;
}

子類(lèi)與父類(lèi)一樣有一個(gè)虛表指針。

子類(lèi)的虛函數(shù)表一部分繼承自父類(lèi)。如果重寫(xiě)了虛函數(shù)，那么子類(lèi)的虛函數(shù)會(huì)在虛表上覆蓋父類(lèi)的虛函數(shù)。

本質(zhì)上虛函數(shù)表是一個(gè)虛函數(shù)指針數(shù)組，最后一個(gè)元素是nullptr，代表虛表的結(jié)束。所以，如果繼承了虛函數(shù)，那么

子類(lèi)先拷貝一份父類(lèi)虛表，然后用一個(gè)虛表指針指向這個(gè)虛表。
如果有虛函數(shù)重寫(xiě)，那么在子類(lèi)的虛表上用子類(lèi)的虛函數(shù)覆蓋。
子類(lèi)新增的虛函數(shù)按其在子類(lèi)中的聲明次序增加到子類(lèi)虛表的最后。

虛函數(shù)表放在內(nèi)存的那個(gè)區(qū)，虛函數(shù)又放在哪？

虛函數(shù)與虛函數(shù)表都放在代碼段。

多態(tài)的原理

我們現(xiàn)在來(lái)看多態(tài)的原理

class person
{
public:
    virtual void fun()
    {
        cout<<"全價(jià)票"<<endl;
    }
};
class student : public person
{
public:
    virtual void fun()
    {
        cout<<"半價(jià)票"<<endl;
    }
};
void buyticket(person* p)
{
    p->fun();
}

這樣就實(shí)現(xiàn)了不同對(duì)象去調(diào)用同一函數(shù)，展現(xiàn)出不同的形態(tài)。滿足多態(tài)的函數(shù)調(diào)用是程序運(yùn)行是去對(duì)象的虛表查找的，而虛表是在編譯時(shí)確定的。普通函數(shù)的調(diào)用是編譯時(shí)就確定的。

動(dòng)態(tài)綁定與靜態(tài)綁定

1.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

2.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(lèi)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)。我們說(shuō)的多態(tài)一般是指動(dòng)態(tài)多態(tài)。

這里我附上一個(gè)有意思的問(wèn)題：

就是在子類(lèi)已經(jīng)覆蓋了父類(lèi)的虛函數(shù)的情況下，為什么子類(lèi)還是可以調(diào)用“被覆蓋”的父類(lèi)的虛函數(shù)呢？

#include <iostream>
using namespace std;
?
class Base {
public:
    virtual void func() {
        cout << "Base func\n";
    }
};
?
class Son : public Base {
public:
    void func() {
        Base::func();
        cout << "Son func\n";
    }
};
?
int main()
{
    Son b;
    b.func();
    return 0;
}

輸出：