【七、多态】动/静态联编、虚析构函数、虚函数（虚函数表与VPTR指针）、重写与重定义

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前言

面向对象有三大特点：封装、继承、多态。封装可以把属性和方法封装在一个类中，这样当类对象做函数参数时即可以属性也可以使用方法；继承可以实现对代码的复用；而多态则实现了接口和功能的解耦合。

一、问题引出，为什么要有多态？

当我们在子类和父类定义了同名函数时（函数重写），并把子类对象传给父类指针或引用时，我们调用该同名函数，最终都是调用父类的成员函数，这是由于类型兼容性原则导致的（使用public继承时，子类可以当作父类使用）。但是我们现在希望编译器能够自动判断我们传入的是子类还是父类，并调用相应的成员函数。

class Parent
{
public:
	void func()
    {
        ;
    }
};

class Child
{
public:
	void func()
    {
        ;
    }
};

//void test(Parent& p)
void test(Parent* p)
{
    //p.func();
    p->func(); //传入子类对象，依然调用父类的 func 成员
}

int main()
{
    Child c;
    // test(&c);
    test(c);
    return 0;
}

二、多态的基础知识

1.类型兼容性原则

类型兼容性原则是指：当派生类是公有制继承时，派生类的对象可以当作基类的对象使用（但是基类不能当派生类使用）。这包括

子类对象传递给父类的引用；
子类对象传递给父类的指针；
用子类对象给父类对象赋值；
子类对象初始化父类；

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	void ptint_a()
	{
		cout << "===a===" << endl;
	}
protected:
private:
};

class B : public A
{
public:
	void ptint_b()
	{
		cout << "===b===" << endl;
	}
protected:
private:
};

void func1(A* a)
{
	a->ptint_a();
}

void func2(A& a)
{
	a.ptint_a();
}

/*
void func2(B& b)
{
	b.ptint_b();
}*/

void func3(B& b)
{
	b.ptint_b();
}

int main()
{
	A a1;
	B b1;
	A a2 = b1; //子类对象初始化父类//会调用拷贝构造函数
	func1(&b1); //子类对象传递给父类的指针
	func2(b1);//会优先匹配 func2(B& b)//子类对象传递给父类的引用
	//func3(a1); 基类不能当派生类用

	a1 = b1; //可以直接用子类对象给父类对象赋值
	
	system("pause");
	return 0;
}

2.重载重写重定义

  • 重载
    同一个类中，函数名相同，参数类型、个数不同；
  • 重写
    在子类与父类中，父类与子类的函数原型完全相同；
    有 virtual 关键字，虚函数重写，多态；
    ​无 virtual 关键字，重定义；
  • 名称覆盖
    当父类和子类有相同的函数名、变量名出现，发生名称覆盖，子类的函数名，覆盖了父类的函数名。
#include <iostream>
using namespace std;

class MyClassA
{
public:
	void PrintFunc()
	{
		cout << "MyClassA 无参函数" << endl;
	}
	void PrintFunc(int a)
	{
		cout << "MyClassA 一个参数" << endl;
	}
	virtual void PrintFunc(int a, int b)
	{
		cout << "MyClassA 两个参数" << endl;
	}
};

class MyClassB : public MyClassA
{
public:
	void PrintFunc(int a)
	{
		cout << "MyClassB 一个参数" << endl;
	}
	virtual void PrintFunc(int a, int b)
	{
		cout << "MyClassB 两个参数" << endl;
	}
};

/*	MyClassA 和 MyClassB 的函数 void PrintFunc(int a)  属于重写（重定义）
*	MyClassA 和 MyClassB 的函数 virtual void PrintFunc(int a, int b)  属于虚函数重写（多态）
*	MyClassA 的 void PrintFunc() 在子类中被名称覆盖，子类中无法直接引用
*	MyClassA 中的三个 PrintFunc() 属于函数重载
*	MyClassB 中的两个 PrintFunc() 属于函数重载
*/

int main()
{
	MyClassB b1;

	//b1.PrintFunc(); //错误	C2661	“MyClassB::PrintFunc”: 没有重载函数接受 0 个参数	
	//因为子类中也有名为 PrintFunc 的函数，所以他把父类中的同名函数覆盖了，编译器只会在
	//子类中查找 PrintFunc 函数，当找不到匹配的参数时，就会报没有重载函数
	b1.MyClassA::PrintFunc();

	system("pause");
	return 0;
}

3.动态联编与静态联编

C++与C语言都是静态编译型语言，在编译时，编译器自动根据指针的类型判断指向的是一个什么样的对象；所以编译器认为父类指针指向的是父类对象。由于程序没有运行，所以不可能知道父类指针指向的具体是父类对象还是子类对象。从程序安全的角度，编译器假设父类指针只指向父类对象，因此编译的结果为调用父类的成员函数。这种特性就是静态联编。

联编是指一个程序模块、代码之间互相关联的过程。
静态联编（static binding），是程序的匹配、连接在编译阶段实现，也称为早期匹配。比如重载函数使用静态联编（在编译的时候就决定了怎么执行，函数怎么调用）。
动态联编是指程序联编推迟到运行时进行，所以又称为晚期联编（迟绑定）。比如switch 语句和 if 语句是动态联编的例子（在程序执行的过程中才知得调用哪一个，根据类型决定）。
通过对重写函数加 virtual 关键字来实现动态联编。

三、多态案例

#include <iostream>
using namespace std;

class GetArea //抽象类//抽象类不能建立对象
{
public:
	virtual double get_area() = 0; //纯虚函数
};

class Square : public GetArea
{
public:
	Square(int a, int b)
	{
		this->a = a;
		this->b = b;
	}
public:
	virtual double get_area()
	{
		return a * b;
	}
private:
	int a;
	int b;
};

class Circular : public GetArea
{
public:
	Circular(int r)
	{
		this->r = r;
	}
public:
	virtual double get_area()
	{
		return 3.14 * r * r;
	}
private:
	int r;
};

class Triangle : public GetArea
{
public:
	Triangle(int h, int l)
	{
		this->h = h;
		this->l = l;
	}
public:
	virtual double get_area()
	{
		return 0.5 * h * l;
	}
private:
	int h;
	int l;
};

void PrintArea(GetArea& obj)//同一调用语句表现出不同状态
{
	cout << obj.get_area() << endl;
}

int main()
{
	Square		s(3, 4);
	Circular	c(10);
	Triangle	t(5, 2);

	PrintArea(s);
	PrintArea(c);
	PrintArea(t);
	
	system("pause");
	return 0;
}

C语言实现多态效果的案例可见
C语言实现多态效果

四、虚函数

1.虚函数表与 vptr 指针

如果类中有虚函数，那么在使用该类定义对象的时候，会创建一个虚函数表，虚函数表存放了虚函数的入口地址，而 vptr 指向这个虚函数表，父类的vptr指针指向父类的虚函数表，子类的vptr指针指向子类的虚函数表（虚函数的入口地址都在这个虚函数表中）。动态联编就是这么实现的，根据vptr指针决定调用哪个虚函数，当遇到虚函数调用时，会根据vptr指针找到虚函数表，并在虚函数表中查找函数原型。

vptr指针初始化是分步实现的

1.使用子类定义一个子类对象，会初始化子类的vptr指针
2.当父类的构造函数执行时，子类的 vptr 指针会指向父类的虚函数表
3.当父类的构造函数执行完毕时，子类的 vptr 指针指向子类的虚函数表

通过一个例子可以证明vptr指针的分步初始化

#include <iostream>
using namespace std;

class Class1
{
public:
	Class1()
	{
		print_func();
		cout << "class 1 构造" << endl;
	}
	virtual void print_func()
	{
		cout << "class 1" << endl;
	}
};

class Class2 : public Class1
{
public:
	Class2()
	{
		print_func();
		cout << "class 2 构造" << endl;
	}
	virtual void print_func()
	{
		cout << "class 2" << endl;
	}
};

int main()
{
	Class2 c2;
	
	system("pause");
	return 0;
}

编译运行
在这里插入图片描述
可以看到，在Class1构造函数中调用了Class1的print_func函数，这说明此时vptr指针指向了Class1的虚函数表；在Class2构造函数中调用了Class2的print_func函数，说明此时vptr指针指向了Class2的虚函数表。

2.虚析构函数

虚析构函数是指，在父类析构函数加 virtual 关键字，通过父类指针，执行所有子类的析构函数，释放所有子类内存。

应用场景：一个函数的参数是基类指针，在主调函数 new 分配了内存，需要在被调函数中使用完该对象后 delete
释放内存，我在调用这个函数时传入了一个派生类对象，如果基类中析构函数没有加 virtual 关键字，就会静态联编，delete
时只执行基类的析构函数，而没有执行派生类析构函数，造成了派生类对象中内存泄漏。虚析构函数会执行动态联编，把基类和派生类的析构函数都执行一遍。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
using namespace std;

class MyClassA
{
public:
	MyClassA(const char* str)
	{
		this->pA = new char[strlen(str) + 1];
		strcpy(this->pA, str);
		cout << "A 构造函数" << endl;
	} 
	//~MyClassA()
	virtual ~MyClassA()//虚析构函数
	{
		if (this->pA != NULL)
		{
			delete[] this->pA;
		}
		this->pA = NULL;
		cout << "A 析构函数 " << endl;
	}
private:
	char* pA;
};

class MyClassB : public MyClassA
{
public:
	MyClassB(const char* str) : MyClassA(str)
	{
		this->pB = new char[strlen(str) + 1];
		strcpy(this->pB, str);
		cout << "B 构造函数" << endl;
	}
	~MyClassB()
	{
		if (this->pB != NULL)
		{
			delete[] this->pB;
		}
		this->pB = NULL;
		cout << "B 析构函数 " << endl;
	}
private:
	char* pB;
};

class MyClassC : public MyClassB
{
public:
	MyClassC(const char* str) : MyClassB(str)
	{
		this->pC = new char[strlen(str) + 1];
		strcpy(this->pC, str);
		cout << "C 构造函数" << endl;
	}
	~MyClassC()
	{
		if (this->pC != NULL)
		{
			delete[] this->pC;
		}
		this->pC = NULL;
		cout << "C 析构函数 " << endl;
	}
private:
	char* pC;
};

void FuncTest(MyClassA* p)
{
	delete p;
}

int main()
{
	MyClassC* c = new MyClassC("hello C++");
	FuncTest(c);

	//delete c; //也会调用 C B A 的析构函数
	
	system("pause");
	return 0;
}

正常析构函数只会执行A（做函数参数的类）的析构函数，因为静态联编，编译器编译时并不知道具体要用哪个类的析构函数，所以只能选择函数参数的类的析构函数执行
在这里插入图片描述
将基类的析构函数加 virtual 关键字，即虚析构函数，将会依次调用 C B A（基类和所有派生类）的析构函数；动态联编，在执行时根据指针具体传入哪个类的对象决定如何调用
在这里插入图片描述

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六、继承

posted @ 2022-03-08 23:13  Mindtechnist  阅读(2)  评论(0)  编辑  收藏  举报  来源