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前言

今天我们来讲面向对象三大特性的最后一个叫做多态,多态的特性相比于封装和继承两个特性比较,不容易理解,今天我来带大家一步一个脚印,"踏平"多态!!!

需要声明的,本节课件中的代码及解释都是在vs2022下的x86程序中,涉及的指针都是4bytes。如果要其他平台下,部分代码需要改动。比如:如果是x64程序,则需要考虑指针是8bytes问题等等。


​正文开始​

一、多态的概念

多态的概念:通俗来说,就是多种形态,具体点就是去完成某个行为,当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。

举个栗子: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,是半价买票;军人买票时是优先买票。

C++面向对象三大特性之一------多态(上)_c++

二、多态的定义及实现

2.1多态的构成条件

多态是在不同继承关系的类对象,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对象买票半价。
那么在继承中要构成多态还有两个条件
1.必须通过基类的指针或者引用去调用虚函数!
2.被调用的函数必须是虚函数,且派生类必须对基类的虚函数进行重写!

C++面向对象三大特性之一------多态(上)_多态_02


C++面向对象三大特性之一------多态(上)_开发语言_03

2.2 虚函数

虚函数:即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

class Person
{
public:
//虚函数
virtual void BuyTicket(){}
};

2.3虚函数的重写

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、参数列表完全相同),称子类的虚函数重写了基类的虚函数。

class Person
{
public:
Person(const char* name)
:_name(name)
{}
//虚函数
//虚函数+函数名/参数/返回值->重写/覆盖
virtual void BuyTicket()
{
cout <<_name<< "-Person:买票-全价 100 ¥" << endl;
}
protected:
string _name;
//int _id;
};
class Student :public Person
{
public:
Student(const char* name)
:Person(name)
{}
//虚函数+函数名/参数/返回值->重写/覆盖
virtual void BuyTicket()
{
cout << _name << "-Student:买票-半价 50 ¥" << endl;
}
};
class Soldier :public Person
{
public:
Soldier(const char* name)
:Person(name)
{}
//虚函数+函数名/参数/返回值->重写/覆盖
virtual void BuyTicket()
{
cout << _name << "-Soldier:优先买预留票-买票-全价 100 ¥" << endl;
}
};

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。

虚函数重写的两个例外:
1. 协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)
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。(了解)

class Person {
public:
virtual A* f() {
return new A;
}
};
class Student : public Person {
public:
virtual B* f() {
return new B;
}
};

2. 析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)

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。

class Person {
public:
virtual ~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
// 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()
{
Person* p1 = new Person;
Person* p2 = new Student;
delete p1;
delete p2;
return 0;
}

C++面向对象三大特性之一------多态(上)_c++_04

2.4 C++11 override 和 final

这个作为了解,后边我还会整理关于C++11新增的语法等作为一篇博客发出!!

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,可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重载,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和final两个关键字,可以帮助用户检测是否重写。

1. final:修饰虚函数,表示该虚函数不能再被重写

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

C++面向对象三大特性之一------多态(上)_虚函数_05


2. 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。

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

2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

C++面向对象三大特性之一------多态(上)_虚函数_06

三、抽象类

3.1 概念

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。

class Car
{
public:
virtual void Drive() = 0;
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive()
{
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
class BMW :public Car
{
public:
virtual void Drive()
{
cout << "BMW-操控" << endl;
}
};
void Test()
{
//Car car;
Car* pBenz = new Benz;
pBenz->Drive();
Car* pBMW = new BMW;
pBMW->Drive();
}
int main()
{
Test();
return 0;
}

C++面向对象三大特性之一------多态(上)_虚函数_07

3.2 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。

四、多态的原理

4.1虚函数表

// 这里常考一道笔试题:sizeof(Base)是多少?
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
int main()
{
cout << sizeof(Base) << endl;
return 0;
}

C++面向对象三大特性之一------多态(上)_虚函数_08


C++面向对象三大特性之一------多态(上)_c++_09


通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),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

// 针对上面的代码我们做出以下改造
// 1.我们增加一个派生类Derive去继承Base
// 2.Derive中重写Func1
// 3.Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Base::Func1()" << endl;
}
virtual void Func2()
{
cout << "Base::Func2()" << endl;
}
void Func3()
{
cout << "Base::Func3()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Derive::Func1()" << endl;
}
private:
int _d = 2;
};
int main()
{
Base b;
Derive d;
return 0;
}

C++面向对象三大特性之一------多态(上)_多态_10


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?
  7. C++面向对象三大特性之一------多态(上)_虚函数_11


  8. C++面向对象三大特性之一------多态(上)_c++_12

4.2多态的原理

上面分析了这个半天了那么多态的原理到底是什么?还记得这里Func函数传Person调用的Person::BuyTicket,传Student调用的是Student::BuyTicket

C++面向对象三大特性之一------多态(上)_c++_13

  1. 观察下图的红色箭头我们看到,p是指向Mike对象时,p->BuyTicket在mike的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket。
  2. 观察下图的蓝色箭头我们看到,p是指向johnson对象时,p->BuyTicket在johson的虚表中找到虚函数是Student::BuyTicket。
  3. 这样就实现出了不同对象去完成同一行为时,展现出不同的形态。
  4. 反过来思考我们要达到多态,有两个条件,一个是虚函数覆盖,一个是对象的指针或引用调用虚函数。反思一下为什么?
  5. 再通过下面的汇编代码分析,看出满足多态以后的函数调用,不是在编译时确定的,是运行起来以后到对象的中取找的。不满足多态的函数调用时编译时确认好的。
  6. C++面向对象三大特性之一------多态(上)_派生类_14


  7. C++面向对象三大特性之一------多态(上)_c++_15


  8. C++面向对象三大特性之一------多态(上)_c++_16

//以下汇编代码中和这个问题不相关的都被去掉了
void Func(Person* p) {

p->BuyTicket();
// p中存的是mike对象的指针,将p移动到eax中
00482511 mov eax,dword ptr [p]
// [eax]就是取eax值指向的内容,这里相当于把mike对象头4个字节(虚表指针)移动到了edx
00482514 mov edx,dword ptr [eax]
// [edx]就是取edx值指向的内容,这里相当于把虚表中的头4字节存的虚函数指针移动到了eax
00482516 mov esi,esp
// call eax中存虚函数的指针。这里可以看出满足多态的调用,不是在编译时确定的,是运行起来
以后到对象的中取找的。

0048251D call eax
0048251F cmp esi,esp
}
int main()
{
//...
// 首先BuyTicket虽然是虚函数,但是mike是对象,不满足多态的条件,所以这里是普通函数的调用转换成地址时,是在编译时已经从符号表确认了函数的地址,直接call 地址
mike.BuyTicket();
004823B3 lea ecx,[mike]
004823B6 call Person::BuyTicket (0481479h)

return 0;
004823BB xor eax,eax
}

4.3 动态绑定与静态绑定

  1. 静态绑定又称为前期绑定(早绑定),在程序编译期间确定了程序的行为,也称为静态多态,比如:函数重载
  2. 动态绑定又称后期绑定(晚绑定),是在程序运行期间,根据具体拿到的类型确定程序的具体行为,调用具体的函数,也称为动态多态。

总结

(本章上完!)