c++中的多态机制

目录

　　1  背景介绍

　　2  多态介绍

　　　　2-1  什么是多态

　　　　2-2  多态的分类 

　　　　2-3  动态多态成立的条件

　　　　2-4  静态联编和动态联编

　　　　2-5  动态多态的实现原理

　　　   2-6   虚析构函数

　　　   2.7  关于虚函数的思考题

　　　　2.8  纯虚函数、抽象类、接口

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;
    Parent() : mi(0) {}

    void add(int i)
    {
        mi += i;
    }
    
    void add(int a, int b)
    {
        mi += (a + b);
    }
};

class Child : public Parent
{
public:
    int mi;
    Child() : mi(0) {}

    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);   // p1.mi = 0; 同上
    Parent& rp = c;
    Parent* pp = &c;

    rp.add(5);             
    pp->add(10, 20);        
    
    cout << "p.mi: " << p.mi <<endl;                    // p.mi: 0; 
    cout << "p1.mi: " << p1.mi <<endl;                  // p1.mi: 0;  
    cout << "c.Parent::mi: " << c.Parent::mi <<endl;    // c.Parent::mi: 35
    cout << "rp.mi: " << rp.mi <<endl;                  // rp.mi: 35
    cout << "pp->mi: " << pp->mi <<endl;                // pp->mi: 35
    
    return 0;
}

　　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);   // I'm Parent    // Expected to print: I'm Parent.
    how_to_print(&c);   // I'm Parent    // Expected to print: I'm Child.
    
    return 0;
}

　　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：

多态介绍

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。

　　多态是设计模式的基础，多态是框架的基础。

2、 多态的分类

　　

　　静态多态是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；

　　动态多态是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。

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; // 4 bytes
    int mj; // 4 bytes
public:
    virtual void print(){}  // 由于虚函数的存在，在实例化类对象时，就会产生1个 vptr指针
};

class Demo2
{
private:
    int mi; // 4 bytes
    int mj; // 4 bytes
public:
    void print(){}
};

int main()
{
    cout << "sizeof(Demo1) = " << sizeof(Demo1) << " bytes" << endl; // sizeof(Demo1) = 16 bytes
    cout << "sizeof(Demo2) = " << sizeof(Demo2) << " bytes" << endl; // sizeof(Demo2) = 8 bytes
    
    return 0;
}

// 64bit(OS) 指针占 8 bytes
// 32bit(OS) 指针占 4 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）

　　！！：建议在设计基类时将析构函数声明为虚函数，为的是避免内存泄漏，否则有可能会造成派生类内存泄漏问题。

　　案列分析

#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
 * 0x7a1030  Base()
 * 0x7a1030  Derived()  9
 * 0x7a1030
 * 0x7a1030  ~Base()
 */

#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()
{
    //Derived *dp = new Derived();
    //delete dp; // 直接通过子类对象释放资源不需要 virtual 关键字
    
    cout << "在赋值兼容中，虚析构函数的测试" << endl;
    
    Base* bp = new Derived();
    cout << bp << endl;
    // ...
    delete bp;  // 动态多态发生

    return 0;
}

/**
 * 在赋值兼容中，虚析构函数的测试
 * 0x19b1030  Base()
 * 0x19b1030  Derived()  9
 * 0x19b1030
 * 0x19b1030  ~Derived()
 * 0x19b1030  ~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
{
public:
    Base()
    {
        cout << "Base()" << endl;
        
        func();
    }
    
    virtual void func() 
    {
        cout << "Base::func()" << endl;
    }
    
    virtual ~Base()
    {
        func();
        
        cout << "~Base()" << endl;
    }
};


class Derived : public Base
{
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。

#include <iostream>
#include <typeinfo>

using namespace std;

class Shape
{
public:
    virtual double area() = 0;
};

class Rect : public Shape
{
    int ma;
    int mb;
public:
    Rect(int a, int b)
    {
        ma = a;
        mb = b;
    }
    double area()
    {
        return ma * mb;
    }
};

class Circle : public Shape
{
    int mr;
public:
    Circle(int r)
    {
        mr = r;
    }
    double area()
    {
        return 3.14 * mr * mr;
    }
};

void area(Shape* p)
{
    const type_info &tis = typeid(*p);
    
    if( tis == typeid(Rect) )
    {
        Rect *rect = dynamic_cast<Rect*>(p);
        
        cout << "the area of the Rect : " << rect->area() << endl;
    }
    
    if( tis == typeid(Circle) )
    {
        Circle *circle = dynamic_cast<Circle*>(p);
        
        cout << "the area of the Circle : " << circle->area() << endl;
    }
    
}

int main()
{
    Rect rect(1, 2);
    Circle circle(10);
    
    area(&rect);
    area(&circle);
    
    return 0;
}
/**
 * 运行结果：
 * the area of the Rect : 2
 * the area of the Circle : 314
 */