【C++进阶】：多态

系统管理员 2024-03-22 20:39 74阅读 0赞

#### 多态 ####

*  一.概念
 *  二.多态的定义和实现
 *   *  1.简单使用
     *  2.虚函数重写的两个例外
     *   *  1.协变
         *  2.析构函数的重写
     *  3. C++11 override 和 final
     *  4.重载，重定义，重写对比
 *  三.多态的原理
 *   *  1.虚函数表
     *  2.总结
     *  3.静态绑定和动态绑定
 *  四.单继承和多继承
 *   *  1.单继承
     *  2.多继承
     *   *  1.多继承的虚表
         *  2.多继承的重写
 *  五.抽象类
 *  六.问答题

## 一.概念 ##

![在这里插入图片描述][f55f7b092fc44580918c8c3c426babb1.png]

## 二.多态的定义和实现 ##

### 1.简单使用 ###

![在这里插入图片描述][b6fd4c75739d4888b9dc3e4953cba52d.png]

*虚函数*

![在这里插入图片描述][8c8ca213fa484425b3e09f66271e1484.png]

*虚函数重写*

![在这里插入图片描述][fed878039ecf4db28f20c16f4b9f9b7d.png]

![在这里插入图片描述][9274c303b87246f29f2ca03c043e481f.png]

![在这里插入图片描述][51fa75194cb74b708fcbe57c216a8040.png]

> **注意，虚函数重写的是实现部分，如果父类在参数上给了缺省值，那么重写时依然使用父类的缺省值，与子类的缺省值无关。**

### 2.虚函数重写的两个例外 ###

#### 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][3a455453196843f59e50aeed2df4e59f.png]

#### 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，虽然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][ebafa12cdee84ad2bc56fdef56276197.png]

> **如果这里的析构函数不处理成虚构函数，那么p是person类型，它就会调用person的析构函数，就会导致student无法析构完全从而致使内存泄漏。所以对于需要被继承的类，最好在析构函数上都加上virtal。**

### 3. C++11 override 和 final ###

![在这里插入图片描述][936ea26cc50f4c1197df9d7a74c69410.png]

**final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写**

![在这里插入图片描述][4d3a2643e376483fa9d7fa886a3502f4.png]

![在这里插入图片描述][a195b73c10d24932b5f2e0e855f8b46b.png]

**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][f10d43bb9049491da77178bb2bdc0d48.png]

### 4.重载，重定义，重写对比 ###

![在这里插入图片描述][cd3d0eed35694be0842d9b20e2a15b4d.png]

## 三.多态的原理 ##

### 1.虚函数表 ###

![在这里插入图片描述][163f7d2d2b6743179c27eeb86e04cf12.png]

![在这里插入图片描述][45223c54d1264d78a6be176943b8acad.png]

![在这里插入图片描述][bc8116e08eaf4df98ac67a2a4768849a.png]

> **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，另外会有内存对齐)，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。那么派生类中这个表放了些什么呢？我们接着往下分析**

![在这里插入图片描述][62b7876af38244aeb15aa530fdc4091f.png]

> **通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：**  
> **1. 派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员，虚表指针也就是存在部分的另一部分是自己的成员。  
> 2. 基类b对象和派生类d对象虚表是不一样的，这里我们发现Func1完成了重写，所以d的虚表 中存的是重写的Derive::Func1，所以虚函数的重写也叫作覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。  
> 3. 另外Func2继承下来后是虚函数，所以放进了虚表，Func3也继承下来了，但是不是虚函数，所以不会放进虚表。  
> 4. 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nullptr。  
> 5. 总结一下派生类的虚表生成：a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中 b.如果派生类重写了基类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数  
> c.派生类自己新增加的虚函数按其在派生类中的声明次序增加到派生类虚表的最后。  
> 6. 这里还有一个童鞋们很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？ 答：虚函数存在虚表，虚表存在对象中。注意上面的回答的错的。但是很多童鞋都是这样深以为然的。注意虚表存的是虚函数指针，不是虚函数，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。那么虚表存在哪的呢？实际我们去验证一下会发现vs下是存在代码段的，Linux g++下大家自己去验证？**

![在这里插入图片描述][9c6fdda7a890463c8810810e56f6af4f.png]

### 2.总结 ###

![在这里插入图片描述][762b8af1c4b14becb5b5aa6b63e751fc.png]

> **一.虚函数表本质是一个函数指针数组，里面存的是函数指针。**

> **二.重写实际上是先把父类的虚表拷贝到子类，再将子类重写的虚函数的地址覆盖到虚表上，所以重写也被叫做覆盖。**

> **三.对于编译器来说，你传父类，看到的是父类，你传子类经过切片看到的还是父类。在经过重写后会生成一个\_vfptr的指针，该指针指向虚函数表。普通调用是在编译时生成地址，多态调用则是在运行时在指向对象的虚函数表里找调用函数的地址。这样就完成了互不影响。**

> **四.再回过头来看多态的两个条件。1.为什么必须是父类的指针或引用，不能是子类指针或者父类对象呢？因为如果是子类的指针或引用那么就只能指向子类不会产生多态。如果是父类对象，那么子类对象在赋值时会进行切片拷贝到父类对象，但虚表并不会一起拷贝，所以即使给父类进行拷贝后，它的虚表依然指向父类的函数（而指针进行切片后并不会进行拷贝，而是指向子类里父类的那一部分，也指向子类的虚表）。**

### 3.静态绑定和动态绑定 ###

![在这里插入图片描述][fb45a2d820e44c818e2a07a7ded6fa46.png]

## 四.单继承和多继承 ##

### 1.单继承 ###

![在这里插入图片描述][ad46e385c2a440beac9a3ecc79f52f40.png]

![在这里插入图片描述][85de15fe42e84934bf47f95462d35ff0.png]

> **观察下图中的监视窗口中我们发现看不见func3和func4。这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数，也可以认为是他的一个小bug。那么我们如何查看d的虚表呢？下面我们使用代码打印出虚表中的函数(上文说到虚函数表是一个函数指针数组里存的是函数指针，我们只需要通过遍历虚表，再对里面的成员进行解引用就可以看到虚表里的每一个函数了)。**

![在这里插入图片描述][9159dc96f09945c89e600b29a2ecf32e.png]

![在这里插入图片描述][3e0b3fae610649be8c683ef79d15a382.png]

![在这里插入图片描述][fad0d88972444e898528a109144d6f44.png]

> **从这里可以很清楚的看到它在虚表里确实存了func3和func4的函数指针，但在监视窗口内却无法看到。**

### 2.多继承 ###

#### 1.多继承的虚表 ####

> **单继承会继承父类的虚表然后进行重写（覆盖），那么多继承会产生多张虚表吗？**

![在这里插入图片描述][fa981e6adba940b6bf47c1caa96de970.png]

![在这里插入图片描述][fa6b569817f541f7b8e227ba5014ce6b.png]

> **答案是的，它会继承多张虚表。**

> **根据上文的单继承，我们可以知道子类自己的成员函数指针也是放在虚表里，那么在多继承里，子类有多张虚表，自己的成员函数指针放在那一张虚表里呢？还是与之前方法一样，我们将多张虚表指向的函数都打印出来。**

![在这里插入图片描述][a42ae3b7658348f08da24f5ea6676de2.png]

![在这里插入图片描述][c5018bff3edc412f8615ba812104d344.png]

> **我们可以看到func3是存在第一张虚表里的，所以可以得出结论，多继承子类自己的成员函数指针存在第一张虚表里。**

#### 2.多继承的重写 ####

*ps:下面代码有微小变动，所以地址与上面不同*

![在这里插入图片描述][3df60c99702343858cfd7eadec7812b0.png]

> **这里有一个奇怪的现象，我们可以看到两个fun1的地址不同，但却都调用了func1这个函数，为什么这个地方覆盖的地址会不一样呢？**

*接下来转到汇编*

![在这里插入图片描述][5909857c52ad410ebc2403d313f3d7be.png]

![在这里插入图片描述][8d109f5440414832bdffb974ed6696e4.png]

![在这里插入图片描述][3c01c658bf37406287ebb7c342a55427.png]

> **一步一步来看，首先到call指令，这时就到了虚表的地址准备开始跳转。**

![在这里插入图片描述][76be6eda270b432c825025a41425959c.png]

> **到达虚表里开始正常调用函数，jmp后面括号里的地址是什么呢？。**

![在这里插入图片描述][f14eeb0795dd4f15b737662725823d77.png]

> **可以看出这是func1的地址我们跳转到了Derve里Base1的func1里了，接着打断点，到达ptr2的位置。**

![在这里插入图片描述][b7949d91705b43ee9c47b9fda4f0dece.png]

> **这里的eax的地址与之前的不一样了，因为它是进入了Derive里base2的虚表了。**

![在这里插入图片描述][912c794912b940ae80dfce4df07d2771.png]

> **这里不仅jump的地址与之前不一样，jmp后面的地址也与之前不一样了。接着往下走。**

![在这里插入图片描述][0258198be89344e2a3b98a2eb3a54d8b.png]

> **按下F10，它并没有跳到func1里，而是对ecx减了一个8，再进行跳转。接下来进行跳转。**

![在这里插入图片描述][5276cacf21984db3ac531114eaac0fca.png]

> **在jmp后又跳转到了另一个jmp指令里，这里的00B31230就是之前在Base1调用func1进行jmp时的地址。后面的0B327E0h跟上面的base1的func1地址也相同。可以看出两个指针都调用的是同一个fun1，只是ptr2多走了一部分。**

> **ptr2进行了一个封装，其中关键就是倒数第二步，ecx-8。ecx里存的是this指针的值，这里为什么要让this指针减8呢？回归最开始的一张图。**

![在这里插入图片描述][93890d00ff204e8b9d4821f6414374eb.png]

> **func1是derive的成员函数，那么就this指针就必须指向derive对象，而之前的ptr1恰好指向了derive对象，所以不需要额外操作，但ptr2需要通过减法来让它指向derive对象。这里可以回过头再来看一下ptr1准备call的时候。**

![在这里插入图片描述][249fe6a47ecb4af2b330f907a8cea0ce.png]

> **ptr1直接将自己的值给了ecx，而ptr2是将值给了ecx后又对ecx进行了减8。**

*结论*

> **调用函数实际分为两个部分：1.传rhis指针（ecx）2.call地址,然后进行跳转。ptr2绕了一大圈就是为了修正this指针，让this指针指向Derive对象。Derive的func1实际只有一个，所以可以认为base1里的地址是一个真地址，base2里的地址是一个"假"地址。这个“假”是指它进行了封装，先修正，再跳转。**

## 五.抽象类 ##

> **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][552b1a63131647a2a532c3d234d309b5.png]

![在这里插入图片描述][196305db1c53454aaf590d6dae295f86.png]

> **抽象类强制了派生类重写了虚函数。**

*接口继承和实现继承*

> **普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，可以使用函数，继承的是函数的实  
> 现。虚函数的继承是一种接口继承，派生类继承的是基类虚函数的接口，目的是为了重写，达成  
> 多态，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。**

## 六.问答题 ##

*什么是多态*

> **是面向对象程序设计语言中的一种机制。这种机制实现了方法的定义与具体的对象无关，而对方法的调用则可以关联于具体的对象。多态分为静态多态（函数重载等等）和动态多态（继承中虚函数重写+父类指针或引用调用）。更灵活方便的多种形态调用。**

*多态的实现原理*

> **1.静态通过函数名修饰规则；2.动态通过虚函数表。**

*inline函数可以是虚函数吗*

> **可以编译通过。但是在编译时编译器自动忽略掉内联属性，这个函数就不再是inline，因为虚函数要放到虚表中去。所以语法可以通过，但实际已经不是内联了。**

*静态成员可以是虚函数吗*

> **不能。因为静态成员没有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。**

*构造函数可以是虚函数吗*

> **不能。虚表是在编译时生成的，虚表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始化的。**

*对象访问普通函数快还是虚函数更快？*

> **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。**

*虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？*

> **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。**

*什么是抽象类？抽象类的作用？*

> **抽象类强制重写了虚函数，另外抽象类体现出了接口继承关系。**

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