C++ 多态性
背景介绍
虚函数重写：子类重新定义父类中有相同返回值、名称和参数的虚函数；
非虚函重写：子类重新定义父类中有相同名称和参数的非虚函数；
父子间的赋值兼容：子类对象可以当作父类对象使用（兼容性）；具体表现为：
1. 子类对象可以直接赋值给父类对象；
2. 子类对象可以直接初始化父类对象；
3. 父类指针可以直接指向子类对象；
4. 父类引用可以直接引用子类对象；
当发生赋值兼容时，子类对象退化为父类对象，只能访问父类中定义的成员，可以直接访问被子类覆盖的同名成员；
// 在赋值兼容原则中，子类对象退化为父类对象，子类是特殊的父类；
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Parent{
public:
int mi;
void add(int i){
mi += i;
}
void add(int a, int b){
mi += (a + b);
}
};
class Child : public Parent{
public:
int mi;
void add(int x, int y, int z){
mi += (x + y + z);
}
};
int main(){
Parent p;
Child c;
c.mi = 100;
p = c; //p.mi = 0; 子类对象退化为父类对象
Parent p1(c); //pl.mi = 0; 同上
Parent& rp = c;
Parent* pp = &c;
rp.add(5);
pp->add(10, 20);
cout<<"p.mi: "<<p.mi << endl;
cout<<"p1.mi: "<<p1.mi<<endl;
cout<<"c.Parent::mi: "<<c.Parent::mi<<endl;
cout<<"rp.mi: "<<rp.mi<<endl;
cout<<"pp=>mi: "<<pp->mi<<endl;
return 0;
}
p.mi: 0 p1.mi: 0 c.Parent::mi: 35 rp.mi: 35 pp=>mi: 35
在面向对象的继承关系中，我们了解到子类可以拥有父类中的所有属性与行为；但是，有时父类中提供的方法并不能满足现有的需求，所以，我们必须在子类中重写父类中已有的方法，来满足当前的需求。此时尽管我们已经实现了函数重写（这里是非虚函数重写），但是在类型兼容性原则中也不能出现我们期待的结果（不能根据指针/引用所指向的实际对象类型去调到对应的重写函数）。接下来我们用代码来复现这个情景：
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Parent{
public:
void print(){
cout<<"I'm Parent."<<endl;
}
};
class Child : public Parent{
public:
void print(){
cout<<"I'm Child."<<endl;
}
};
void how_to_print(Parent* p){
p->print();
}
int main(){
Parent p;
Child c;
how_to_print(&p);
how_to_print(&c);
return 0;
}
I'm Parent. //期望为 I'm Parent. I'm Parent. //期望为 I'm Child
为什么会出现上述现象呢？（在赋值兼容中，父类指针/引用指向子类对象时为何不能调用子类重写函数？）
问题分析：在编译期间，编译器只能根据指针的类型判断所指向的对象；根据赋值兼容，编译器认为父类指针指向的是父类对象；因此，编译结果只可能是调用父类中定义的同名函数。
在编译这个函数的时候，编译器不可能知道指针p究竟指向了什么。但是编译器没有理由报错，于是，编译器认为最安全的做法是调用父类的print函数。因为父类和子类肯定都有相同的print函数。
要想解决这个问题，就需要使用c++中的多态。那么如何实现c++中的多态呢？请看下面详解：
多态
1、 什么是多态
在现实生活中，多态是同一个事物在不同场景下的多种形态。
在面向对象中，多态是指通过基类的指针或者引用，在运行时动态调用实际绑定对象函数的行为。与之相对应的编译时绑定函数称为静态绑定。
2、 多态的分类
（1）静态多态（重载，模板）：编译器在编译期间完成的，编译器会根据实参类型来选择调用合适的函数，如果有合适的函数就调用，没有的话就会发出警告或者报错。
（2）动态多态（覆盖，虚函数实现）：在程序运行时根据基类的引用（指针）指向的对象来确定自己具体该调用哪一个类的虚函数（动态绑定）。运行基类指针指向派生类的对象，并调用派生类的函数。
虚函数实现原理：虚函数表vtable和虚函数指针vptr。
纯虚函数：virtual int fun() = 0;
函数的运行版本由实参决定，在运行时选择函数的版本，所以动态绑定又称为运行时绑定。当编译器遇到一个模板定义时，它并不生成代码。只有当实例化出模板的一个特定版本时，编译器才会生成代码。
3、动态多态成立的条件
由之前出现的问题可知，编译器的做法并不符合我们的期望（因为编译器是根据父类指针的类型去父类中调用被重写的函数）；但是，在面向对象的多态中，我们期望的行为是 根据实际的对象类型来判断如何调用重写函数（虚函数）；
1. 即当父类指针（引用）指向 父类对象时，就调用父类中定义的虚函数；
2. 即当父类指针（引用）指向 子类对象时，就调用子类中定义的虚函数；
这种多态行为的表现效果为：同样的调用语句在实际运行时有多种不同的表现形态。
那么在c++中，如何实现这种表现效果呢？（实现多态的条件）
1. 要有继承
2. 要有虚函数重写（被 virtual 声明的函数叫虚函数）
3. 要有父类指针（父类引用）指向子类对象
4、静态联编和动态联编
静态联编：在程序的编译期间就能确定具体的函数调用；如函数重载，非虚函数重写；
动态联编：在程序实际运行后才能确定具体的函数调用；如虚函数重写，switch 语句和 if 语句；
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Parent{
public:
virtual void func(){
cout<<"Parent::void func()"<<endl;
}
virtual void func(int i){
cout<<"Parent::void func(int i): "<<i<<endl;
}
virtual void func(int i,int j){
cout<<"Parent::void func(int i, int j): "<<"("<<i<<","<<j<<")"<<endl;
}
};
class Child : public Parent{
public:
void func(int i, int j){
cout<<"Child::void func(int i, int j): "<<i+j<<endl;
}
void func(int i, int j, int k){
cout<<"Child::void func(int i, int j, int k): "<<i+j+k<<endl;
}
};
void run(Parent* p){
p->func(1, 2); //展现多态的特性 动态联编
}
int main(){
Parent p;
p.func(); //静态联编
p.func(1); //静态联编
p.func(1, 2); //静态联编
cout<<endl;
Child c;
c.func(1, 2); //静态联编
cout<<endl;
run(&p);
run(&c);
return 0;
}
Parent::void func() Parent::void func(int i): 1 Parent::void func(int i, int j): (1,2) Child::void func(int i, int j): 3 Parent::void func(int i, int j): (1,2) Child::void func(int i, int j): 3
5、动态多态的实现原理
虚函数表与vptr指针
1. 当类中声明虚函数时，编译器会在类中生成一个虚函数表；
2. 虚函数表是一个存储类成员函数指针的数据结构；
3. 虚函数表是由编译器自动生成与维护的；
4. virtual成员函数会被编译器放入虚函数表中；
5. 存在虚函数时，每个对象中都有一个指向虚函数表的指针(vptr指针)。
多态执行过程：
1. 在类中，用 virtual 声明一个函数时，就会在这个类中对应产生一张 虚函数表，将虚函数存放到该表中；
2. 用这个类创建对象时，就会产生一个 vptr指针，这个vptr指针会指向对应的虚函数表；
3. 在多态调用时, vptr指针 就会根据这个对象 在对应类的虚函数表中 查找被调用的函数，从而找到函数的入口地址；
》 如果这个对象是 子类的对象，那么vptr指针就会在 子类的 虚函数表中查找被调用的函数
》 如果这个对象是 父类的对象，那么vptr指针就会在 父类的 虚函数表中查找被调用的函数
注：出于效率考虑，没有必要将所有成员函数都声明为虚函数。
如何证明vptr指针的存在？
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Demo1{
private:
int mi;
int mj;
public:
virtual void print(){} //由于虚函数的存在，在实例化类对象时，就会产生一个vptr指针
};
class Demo2{
private:
int mi;
int mj;
public:
void print(){}
};
int main(){
cout<<"sizeof(Demo1) = "<<sizeof(Demo1)<<" bytes"<<endl;
cout<<"sizeof(Demo2) = "<<sizeof(Demo2)<<" bytes"<<endl;
return 0;
}
//64位OS，指针大小为8
sizeof(Demo1) = 16 bytes sizeof(Demo2) = 8 bytes
显然，在普通的类中，类的大小 == 成员变量的大小；在有虚函数的类中，类的大小 == 成员变量的大小 + vptr指针大小。
6、 虚析构函数
定义：用 virtual 关键字修饰析构函数，称为虚析构函数；
格式：virtual ~ClassName(){ ... }
意义：虚析构函数用于指引 delete 运算符正确析构动态对象；（当父类指针指向子类对象时，通过父类指针去释放所有子类的内存空间）
应用场景：在赋值兼容性原则中（父类指针指向子类对象），通过 delete 父类指针 去释放所有子类的内存空间。（动态多态调用：通过父类指针所指向的实际对象去判断如何调用 delete 运算符）
#include<iostream>
#include<cstring>
using namespace std;
class Base{
protected:
char *name;
public:
Base(){
name = new char[20];
strcpy(name, "Base()");
cout<<this<<" "<<name<<endl;
}
~Base(){
cout<<this<<" ~Base()"<<endl;
delete[] name;
}
};
class Derived : public Base{
private:
int *value;
public:
Derived(){
strcpy(name, "Derived()");
value = new int(strlen(name));
cout<<this<<" "<<name<<" "<<*value<<endl;
}
~Derived(){
cout<<this<<" ~Derived()"<<endl;
delete value;
}
};
int main(){
cout<<"在赋值兼容中，关于子类对象存在内存泄漏的测试"<<endl;
Base* bp = new Derived();
cout<<bp<<endl;
// ...
delete bp; //虽然是父类指针，但析构的是子类资源
return 0;
}
在赋值兼容中，关于子类对象存在内存泄漏的测试 0x751710 Base() 0x751710 Derived() 9 0x751710 0x751710 ~Base()
//虚析构函数解决子类内存泄漏案列
#include<iostream> #include<cstring> using namespace std; class Base{ protected: char *name; public: Base(){ name = new char[20]; strcpy(name, "Base()"); cout<<this<<" "<<name<<endl; } virtual ~Base(){ cout<<this<<" ~Base()"<<endl; delete[] name; } }; class Derived : public Base{ private: int *value; public: Derived(){ strcpy(name, "Derived()"); value = new int(strlen(name)); cout<<this<<" "<<name<<" "<<*value<<endl; } virtual ~Derived(){ cout<<this<<" ~Derived()"<<endl; delete value; } }; int main(){ cout<<"在赋值兼容中，关于子类对象存在内存泄漏的测试"<<endl; Base* bp = new Derived(); cout<<bp<<endl; // ... delete bp; //虽然是父类指针，但析构的是子类资源 return 0; }
在赋值兼容中，关于子类对象存在内存泄漏的测试
0x6b1710 Base() 0x6b1710 Derived() 9 0x6b1710 0x6b1710 ~Derived() 0x6b1710 ~Base()
两个案列的区别：第1个案列只是普通的析构函数；第2个案列是虚析构函数。
7、 关于虚函数的思考题
1. 构造函数可以成为虚函数吗？--- 不可以
不可以。因为在构造函数执行结束后，虚函数表指针才会被正确的初始化。
在c++的多态中，虚函数表是由编译器自动生成与维护的，虚函数表指针是由构造函数初始化完成的，即构造函数相当于是虚函数的入口点，负责调用虚函数的前期工作；在构造函数执行的过程中，虚函数表指针有可能未被正确的初始化；由于在不同的c++编译器中，虚函数表 与 虚函数表指针的实现有所不同，所以禁止将构造函数声明为虚函数。
2. 析造函数可以成为虚函数吗？--- 虚函数，且发生多态
可以，并且产生动态多态。因为析构函数是在对象销毁之前被调用，即在对象销毁前 虚函数表指针是正确指向对应的虚函数表。
3. 构造函数中可以调用虚函数发生多态吗？--- 不能发生多态
构造函数中可以调用虚函数，但是不可能发生多态行为，因为在构造函数执行时，虚函数表指针未被正确初始化。
4. 析构函数中可以调用虚函数发生多态吗？--- 不能发生多态
析构函数中可以调用虚函数，但是不可能发生多态行为，因为在析构函数执行时,虚函数表指针已经被销毁。
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
class Base{
protected:
char *name;
public:
Base(){
cout<<"Base()"<<endl;
func();
}
virtual void func(){
cout<<"Base::func()"<<endl;
}
virtual ~Base(){
func();
cout<<"~Base()"<<endl;
}
};
class Derived : public Base{
private:
int *value;
public:
Derived(){
cout<<"Derived()"<<endl;
func();
}
virtual void func(){
cout<<"Derived::func()"<<endl;
}
virtual ~Derived(){
func();
cout<<"~Derived()"<<endl;
}
};
void test(){
Derived d;
}
int main(){
//栈空间
test();
//堆空间
// Base *p = new Derived();
// delete p; // 多态发生（指针p指向子类对象，并且又有虚函数重写）
return 0;
}
Base() Base::func() Derived() Derived::func() Derived::func() ~Derived() Base::func() ~Base()
结论：在构造函数与析构函数中调用虚函数不能发生多态行为，只调用当前类中定义的函数版本! !
8、纯虚函数、抽象类、接口
1. 定义 --- 以案例的方式说明
想必大家很熟悉，对于任何一个普通类来说都可以实例化出多个对象，也就是每个对象都可以用对应的类来描述，并且这些对象在现实生活中都能找到各自的原型；比如现在有一个“狗类🐶”，我们就可以用这个“狗类🐶”实例化出很多只“狗🐶”。但是，在面向对象分析时，还会发现一些抽象的概念，它描述的是一类事物，并不能反映一个具体的实物，我们把这种包含抽象概念的现象称为 抽象类。关于抽象类的例子有很多，比如：如何计算一个“图形”的面积；什么“宠物”最可爱 等等。了解了抽象类之后，那么什么是纯虚函数呢？我们现在就以 如何计算一个“图形”的面积 这个抽象类案列说明问题；在这个例子中有2个抽象概念，分别是 “图形” 与 “面积”，即什么样“图形” --- 不知道，如何”求面积“或者“面积公式”是什么 --- 也不知道；在这里，我们可以把”图形“看成是抽象类的类名，”面积“看成是抽象类的成员函数，因为这个成员函数无法实现，只是让外界知道有这么一回事，此处的成员函数就可以看成 纯虚函数，同时，此处的抽象类也可以看成是 接口。
2. 特点
纯虚函数：
（1）只在基类中声明虚函数，并不需要在基类中定义函数体，语法格式：virtual void funtion1()=0；
（2）“=0”是告诉编译器当前是声明纯虚函数，因此并不需要定义函数体。
（3）纯虚函数被实现后成为虚函数；
（4）基类中的纯虚函数就是个接口，纯虚函数不能被调用，它的存在只是为了在派生类中重新实现该方法；
（5）c++ 规定虚析构函数必须包含声明与实现（在对象销毁前，基类中的析构函数最后一个被调用，若此时没有对应的函数实现，显然是不行的）；
抽象类：
（1）用于表示现实世界中的抽象概念；
（2）是一种只能定义类型，而不能创建对象的类；但是，可以有抽象类指针 或 接口类指针，当它指向子类对象时就会发生多态；
（3）抽象类只能用作父类被继承，子类必须实现纯虚函数的具体功能；
（4）c++语言中没有抽象类的概念，但是可以通过纯虚函数实现抽象类；
（5）一个c++类中存在纯虚函数就成为了抽象类；（判断条件）
（6）如果子类没有实现纯虚函数，则子类成为抽象类。
接口：
（1）类中没有定义任何的成员变量；
（2）所有的成员函数都是公有的纯虚函数；（判断条件 1 + 2）
（3）接口是一种特殊的抽象类；
一个类全是纯虚函数就是接口；
一个类部分是纯虚函数就是抽象类；
3. 引入原因
（1）为了方便使用多态特性，我们常常需要在基类中声明纯虚函数。
（2）在很多情况下，基类本身生成对象是不合情理的。例如，动物作为一个基类可以派生出老虎、孔雀等子类，但动物本身生成对象明显不合常理。
所以，为了解决上述问题，引入了纯虚函数的概念；将基类的成员函数声明为纯虚函数，则编译器要求必须在派生类中重写该成员函数以实现多态性。
浙公网安备 33010602011771号