深入解析【C++多态】：探索面向对象编程中的动态绑定与行为多样性和多态的核心概念与应用实践

2024-11-20 07:01:06

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多态的概念

多态的定义及实现

实现多态还有两个必须重要条件

虚函数

虚函数的重写/覆盖

多态场景的⼀个选择题

虚函数重写的⼀些其他问题

协变(了解进行)

析构函数的重写

override 和 final关键字

重载/重写/隐藏的对⽐

纯虚函数和抽象类

多态的原理

虚函数表指针

多态的原理

多态是如何实现的

动态绑定与静态绑定

虚函数表

多态的概念

多态(polymorphism)的概念：通俗来说，就是多种形态。多态分为编译时多态(静态多态)和运⾏时多态(动态多态)，这⾥我们重点讲运⾏时多态，编译时多态(静态多态)和运⾏时多态(动态多态)。编译时多态(静态多态)主要就是我们前⾯讲的函数重载和函数模板，他们传不同类型的参数就可以调⽤不同的函数，通过参数不同达到多种形态，之所以叫编译时多态，是因为他们实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的，我们把编译时⼀般归为静态，运⾏时归为动态。

运⾏时多态，具体点就是去完成某个⾏为(函数)，可以传不同的对象就会完成不同的⾏为，就达到多种形态。⽐如买票这个⾏为，当普通⼈买票时，是全价买票；学⽣买票时，是优惠买票(5折或75折)；军⼈买票时是优先买票。

再⽐如，同样是动物叫的⼀个⾏为(函数)，传猫对象过去，就是”(>^ω^<）"喵喵"，传狗对象过去，就是"汪汪"。

多态的定义及实现

多态是⼀个继承关系的下的类对象，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对象优惠买票。

实现多态还有两个必须重要条件

必须指针或者引⽤调⽤虚函数。

被调⽤的函数必须是虚函数。

说明：要实现多态效果，第⼀必须是基类的指针或引⽤，因为只有基类的指针或引⽤才能既指向基类又能指向派⽣类对象；第⼆派⽣类必须对基类的虚函数重写/覆盖，重写或者覆盖了，派⽣类才能有不同的函数，多态的不同形态效果才能达到。

虚函数

类成员函数前⾯加virtual修饰，那么这个成员函数被称为虚函数。注意⾮成员函数不能加virtual修饰。

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

不是类成员会报错。

虚函数的重写/覆盖

虚函数的重写/覆盖：派⽣类中有⼀个跟基类完全相同的虚函数(即派⽣类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数完全相同)，称派⽣类的虚函数重写了基类的虚函数。

注意：在重写基类虚函数时，派⽣类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因为继承后基类的虚函数被继承下来了在派⽣类依旧保持虚函数属性)，但是该种写法不是很规范，不建议这样使⽤，不过在考试选择题中，经常会故意买这个坑，让你判断是否构成多态。

即派⽣类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数完全相同。

下面我们可以看到，传Person对象过去就是prt就指向Person的虚函数，传Student对象就是prt就指向Student的虚函数。

注意：在重写基类虚函数时，派⽣类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因为继承后基类的虚函数被继承下来了在派⽣类依旧保持虚函数属性)，但是该种写法不是很规范，不建议这样使⽤，不过在考试选择题中，经常会故意买这个坑，让你判断是否构成多态。

重写/覆盖。

派生类不加virtual关键字,虽然也可以构成重写(因为继承后基类的虚函数被继承下来了在派⽣类依旧保持虚函数属性)。

运行结果：

必须指针或者引⽤调⽤虚函数。
被调⽤的函数必须是虚函数。

class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student :public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl;; }
};
//指针
void tab(Person* ptr)
{
	// 这⾥可以看到虽然都是Person指针ptr在调⽤BuyTicket
	// 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。
	ptr->BuyTicket();

}


int main()
{

	Person ps;
	Student st;

	tab(&ps);
	tab(&st);

	return 0;
}

传猫对象过去，就是”(>^ω^<）"喵喵"，传狗对象过去，就是"汪汪"。

下面这个传引用，不一定是1个基类和1个派生类，可以是1个基类多个派生类。

多态场景的⼀个选择题

以下程序输出结果是什么（）

A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确

class A
{
public:
	virtual void func(int val = 1) { std::cout << "A->" << val << std::endl; }
	virtual void test() { func(); }
};

class B : public A
{
public:
	void func(int val = 0) { std::cout << "B->" << val << std::endl; }
};

int main(int argc, char* argv[])
{
	B* p = new B;
	p->test();
	return 0;
}

正确答案是：B.B->1

B类的对象调用test,因为B类继承了A类，B类找不到test，会去A类找。

test存在A类，参数默认是A*，还有个this指向func函数。

因为是B对象，所以会调用B类的func。

B类的func没有virtual，所以会进行重写，重写后val=1。

所以B->1

虚函数重写的⼀些其他问题

协变(了解进行)

析构函数的重写

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，虽然基类与派⽣类析构函数名字不同看起来不符合重写的规则，实际上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，所以基类的析构函数加了 vialtual修饰，派⽣类的析构函数就构成重写。

下⾯的代码我们可以看到，如果~A()，不加virtual，那么delete p2时只调⽤的A的析构函数，没有调⽤ B的析构函数，就会导致内存泄漏问题，因为~B()中在释放资源。注意：这个问题⾯试中经常考察，⼤家⼀定要结合类似下⾯的样例才能讲清楚，为什么基类中的析构函数建议设计为虚函数。

class A
{
public:
	virtual ~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
};
class B : public A {
public:
	~B()
	{
		cout << "~B()->delete:" << _p << endl;
		delete _p;
	}
protected:
	int* _p = new int[10];
};
// 只有派⽣类Student的析构函数重写了Person的析构函数，下⾯的delete对象调⽤析构函数，才能构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确的调⽤析构函数。
int main()
{
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new B;
	delete p1;
	delete p2;
	return 0;
}

我们不加virtual，就不构成多态，B类的就资源无法释放，就会导致内存泄露。

如果p2是B类的对象，那到没什么问题，但是下面p2是A类的对象，指向B类，需要用多态。

为什么A要析构2次呢？

delete p1; 调用A类的析构函数，输出~A()。

delete p2; 调用B类的析构函数，输出~B()->delete:...，然后删除B类中动态分配的内存（delete _p;），最后调用A类的析构函数，输出~A()。

override 和 final关键字

从上⾯可以看出，C++对函数重写的要求⽐较严格，但是有些情况下由于疏忽，⽐如函数名写错参数写错等导致⽆法构成重写，⽽这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运⾏时没有得到预期结果才来debug会得不偿失，因此C++11提供了override，可以帮助⽤⼾检测是否重写。如果我们不想让派⽣类重写这个虚函数，那么可以⽤final去修饰。

下面我们可以看到，加了override，没有重写，出现了报错。

// error C3668: “Benz::Drive”: 包含重写说明符“override”的⽅法没有重写任何基类⽅法 
class Car {
public:
	virtual void Dirve()
	{}
};
class Benz :public Car {
public:
	virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
	return 0;
}

final关键字

final修饰成员函数，就不能构成重写了。

// error C3248: “Car::Drive”: 声明为“final”的函数⽆法被“Benz::Drive”重写 
class Car
{
public:
	virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
	virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
	return 0;
}

重载/重写/隐藏的对⽐

注意：这个概念对⽐经常考，⼤家得理解记忆⼀下

纯虚函数和抽象类

在虚函数的后⾯写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数，纯虚函数不需要定义实现(实现没啥意义因为要被派⽣类重写，但是语法上可以实现)，只要声明即可。包含纯虚函数的类叫做抽象类，抽象类不能实例化出对象，如果派⽣类继承后不重写纯虚函数，那么派⽣类也是抽象类。纯虚函数某种程度上强制了派⽣类重写虚函数，因为不重写实例化不出对象。

当一个类不需要实例化出对象，可以定义纯虚函数。

如果是多态的话，不影响。

多态的原理

虚函数表指针

下⾯编译为32位程序的运⾏结果是什么（）

A. 编译报错 B. 运⾏报错 C. 8 D. 12

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
protected:
	int _b = 1;
	char _ch = 'x';
};
int main()
{
	Base b;
	cout << sizeof(b) << endl;
	return 0;
}

答案是：D

_b是4字节，_ch =是1字节，内存对齐后是8个字节，但是为什么是12呢？

因为还有个_vftptr指向虚函数表，存储虚函数的地址。

上⾯题⽬运⾏结果12bytes，除了_b和_ch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，因为⼀个类所有虚函数的地址要被放到这个类对象的虚函数表中，虚函数表也简称虚表。

多态的原理

多态是如何实现的

从底层的⻆度Func函数中ptr->BuyTicket()，是如何作为ptr指向Person对象调Person::BuyTicket， ptr指向Student对象调⽤Student::BuyTicket的呢？通过下图我们可以看到，满⾜多态条件后，底层不再是编译时通过调⽤对象确定函数的地址，⽽是运⾏时到指向的对象的虚表中确定对应的虚函数的地址，这样就实现了指针或引⽤指向基类就调⽤基类的虚函数，指向派⽣类就调⽤派⽣类对应的虚函数。第⼀张图，ptr指向的Person对象，调⽤的是Person的虚函数；第⼆张图，ptr指向的Student对象，调⽤的是Student的虚函数。

下面我们可以看到，基类和派生类它们都有个虚函数表（_vfptr）都分别指向虚函数。

class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
protected:
	string _name;
	int _age;
};
class Student :public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
protected:
	string _id;
};


void Func(Person* ptr)
{
	// 这⾥可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket 
	// 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。 
	ptr->BuyTicket();
}


int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Func(&p);
	Func(&s);

	return 0;
}

传父类（基类）ptr指向基类的虚函数表中找到对应的虚函数进行调用。

传子类（派生类）会把派生类的基类给切割，ptr就指向切割出来的基类的虚函数表中找到对应的虚函数进行调用。

动态绑定与静态绑定

对不满⾜多态条件(指针或者引⽤+调⽤虚函数) 的函数调⽤是在编译时绑定，也就是编译时确定调⽤函数的地址，叫做静态绑定。

满⾜多态条件的函数调⽤是在运⾏时绑定，也就是在运⾏时到指向对象的虚函数表中找到调⽤函数的地址，也就做动态绑定。

	// ptr是指针+BuyTicket是虚函数满⾜多态条件。 
	 // 这⾥就是动态绑定，编译在运⾏时到ptr指向对象的虚函数表中确定调⽤函数地址 
	ptr->BuyTicket();
00EF2001 mov eax, dword ptr[ptr]
00EF2004 mov edx, dword ptr[eax]
00EF2006 mov esi, esp
00EF2008 mov ecx, dword ptr[ptr]
00EF200B mov eax, dword ptr[edx]
00EF200D call eax
	// BuyTicket不是虚函数，不满⾜多态条件。 
	// 这⾥就是静态绑定，编译器直接确定调⽤函数地址 
	ptr->BuyTicket();
00EA2C91 mov ecx, dword ptr[ptr]
00EA2C94 call Student::Student(0EA153Ch)

虚函数表

基类对象的虚函数表中存放基类所有虚函数的地址，虚函数表：函数指针数组。

派⽣类由两部分构成，继承下来的基类和⾃⼰的成员，⼀般情况下，继承下来的基类中有虚函数表指针，⾃⼰就不会再⽣成虚函数表指针。但是要注意的这⾥继承下来的基类部分虚函数表指针和基类对象的虚函数表指针不是同⼀个，就像基类对象的成员和派⽣类对象中的基类对象成员也独⽴的。

派⽣类中重写的基类的虚函数，派⽣类的虚函数表中对应的虚函数就会被覆盖成派⽣类重写的虚函数地址。

派⽣类的虚函数表中包含，基类的虚函数地址，派⽣类重写的虚函数地址，派⽣类⾃⼰的虚函数地址这三个部分。

虚函数表本质是⼀个存虚函数指针的指针数组，⼀般情况这个数组最后⾯放了⼀个0x00000000标记。(这个C++并没有进⾏规定，各个编译器⾃⾏定义的，vs系列编译器会再后⾯放个0x00000000 标记，g++系列编译不会放)

虚函数存在哪的？虚函数和普通函数⼀样的，编译好后是⼀段指令，都是存在代码段的，只是虚函数的地址⼜存到了虚表中。

虚函数表存在哪的？这个问题严格说并没有标准答案C++标准并没有规定，我们写下⾯的代码可以对⽐验证⼀下。vs下是存在代码段(常量区)

我们可以看到，基类把派生类的BuyTicket进行重写/覆盖，也就是拷贝下来的意思，它们的地址是不一样的。

派⽣类中重写的基类的虚函数，派⽣类的虚函数表中对应的虚函数就会被覆盖成派⽣类重写的虚函数地址。

func1和func2被继承下来了，派生类⾃⼰就不会再⽣成虚函数表指针，所以它们是同一个地址。

func3在基类里没有，所以不构成虚函数。

class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
	virtual void func1() { cout << "func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "func2" << endl; }
	
	int _a1 = 1;
	int _a2 = 2;
};
class Student :public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "func3" << endl; }
	int _a3 = 3;
};


void Func(Person* ptr)
{
	// 这⾥可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket    
	// 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。   
	ptr->BuyTicket();
}


int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Func(&p);
	Func(&s);

	return 0;
}

如果是3个基类或3个派生类它们都是同一个虚函数表。

虚函数表本质是⼀个存虚函数指针的指针数组，⼀般情况这个数组最后⾯放了⼀个0x00000000标记。(这个C++并没有进⾏规定，各个编译器⾃⾏定义的，vs系列编译器会再后⾯放个0x00000000 标记，g++系列编译不会放)

i是int存放在栈上。

j是static修饰的静态成员变量，存放在静态区。

p1是指向new出来的int存放在堆上。

p2指向的是字符串，存放在常量区上的。

虚函数表存在头4个字节，我们需要打印虚函数表，需要头4个字节。

下面我们可以看到虚函数表和常量区的地址很接近，所以应该是存放在常量区了

普通函数的地址也很接近，所以是一起的。

class Base {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
	void func5() { cout << "Base::func5" << endl; }
protected:
	int a = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
	// 重写基类的func1 
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
protected:
	int b = 2;
};

int main()
{
	int i = 0;
	static int j = 1;
	int* p1 = new int;
	const char* p2 = "xxxxxxxx";
	printf("栈:%p\n", &i);
	printf("静态区:%p\n", &j);
	printf("堆:%p\n", p1);
	printf("常量区:%p\n", p2);
	Base b;
	Derive d;
	Base* p3 = &b;
	Derive* p4 = &d;
	printf("Base的虚函数表：%p\n", *(int*)p3);
	printf("Derive的虚函数表：%p\n", *(int*)p4);

	printf("虚函数地址:%p\n", &Base::func1);
	printf("普通函数地址:%p\n", &Base::func5);
	return 0;
}

码农公寓

多态的概念

多态的定义及实现

实现多态还有两个必须重要条件

虚函数

虚函数的重写/覆盖

多态场景的⼀个选择题

虚函数重写的⼀些其他问题

协变(了解进行)

析构函数的重写

override 和 final关键字

重载/重写/隐藏的对⽐

纯虚函数和抽象类

多态的原理

虚函数表指针

多态的原理

多态是如何实现的

动态绑定与静态绑定

虚函数表

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