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22 多态

Xin_So 04-03 20:30 阅读 2
c++开发语言

目录

  1. 多态的概念
  2. 多态的定义及实现
  3. 抽象类
  4. 多态的原理
  5. 单继承和多继承关系中的虚函数表
  6. 继承和多态常见的面试问题

前言

需要声明的，下面的代码和解释的哦朴实vs2013x86环境，涉及指针是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

1. 多态的概念

1.1 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
在这里插入图片描述
比如买票这个行为，普通人买票全家，学生半价，军人买票优先
还有在线支付市场，支付宝经常会用扫红包领奖励金的活动，有的人是8块，有的人是1毛，5毛。这背后就是一个多态的行为，不用支付宝的人，需要被鼓励，扫码金额就是random（）%99，比如你经常使用支付宝支付或者支付宝账户中常年没钱，就不需要太鼓励你，random（）%1.不同的人得到不同的红包，这就是一种多态行为

2. 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，取调用同一函数，产生了不同的行为。比如Student继承了Person，Person买全价，Student就半价
构成多态有两个条件：

  1. 必须通过基类的指针或引用调用虚函数
  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重写

在这里插入图片描述

2.2 虚函数

指被virtual修饰的类成员函数称为虚函数

class Person {
public:
 virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;}
};

2.3 虚函数重写

派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数（返回值、函数名字、参数列表完全相同），子类的虚函数重写了基类的虚函数

class Person {
public:
 virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
 virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << 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*/
/*void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }*/
};
void Func(Person& p)
{ p.BuyTicket(); }
int main()
{
Person ps;
Student st;
Func(ps);
Func(st);
 return 0;
}

虚函数重写有两个例外：
1.协变（基类和派生类返回值不同）
派生类重写基类虚函数时，返回值类型不同，基类函数返回基类对象的指针或引用，派生类虚函数返回派生类对象的指针或引用时，称为协变

class A{};
class B : public A {};
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，无论是否为virtual关键字，都与基类的析构函数构成重写，虽然基类和派生类析构函数名字不同，看起来违背了规则，但其实编译器将析构函数名字统一处理成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;
}

2.4 c++11 override 和 final

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，肯呢个会导致字母次序反而无法构成重载，这种错误在编译期间是不会报错的，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，可以帮助用于检测是否重写

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() = 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* pBenz = new Benz;
 pBenz->Drive();
 Car* pBMW = new BMW;
 pBMW->Drive();
}

2.override：检查派生类虚函数是否冲洗了基类的虚函数，如果没有重写报错

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、隐藏的对比

在这里插入图片描述

3. 抽象类

3.1 概念

在虚函数的后面写上=0，这个函数为纯虚函数。包含虚函数的类叫抽象类（也叫接口类），抽象类不能实例化对象。派生类继承后也不能实例化，只有重写虚函数，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* pBenz = new Benz;
 pBenz->Drive();
 Car* pBMW = new BMW;
 pBMW->Drive();
}

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，可以适用函数，集成的函数的实现。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，不识闲多态，不要把函数定义成虚函数

4. 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;
};

通过观测发现b对象是8bytes，除了成员_b,还有一个_vfptr放在对象前面（有些平台可能放在后面，跟平台有关），对象中的这个指针我们叫虚函数表指针（v代表virtual，f代表function）。一个含有虚函数的类中至少都有一个虚函数表指针，因为虚函数的地址被放到虚函数表中，这个表简称续表，派生类这个表放了什么？
在这里插入图片描述

通过观察和测试，我们发现了以下几个问题：

  1. 派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象有两部分组成，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对象和派生类对象d虚表是不一样的，fun1完成了重写，d的虚表存的是重写的func1，也叫覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重点是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法
  3. 另外fun2继承下来后是虚函数，所以放进了虚表，fun3也继承下来，但不是虚函数，不会放入虚表
  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.如果派生类重写了积累中某个虚函数，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. 这里还有一个容易混淆的问题：虚函数存在哪，虚表存在哪。
    虚表存的是虚函数的指针，但函数本体仍然是存在代码段的，对象中存的也是虚表指针，虚表存在哪，可以验证一下

先学习一种打印虚表的方法，可以便于观测虚表的调用和地址

typedef void(*FPTR)();
void funtable(FPTR table[])
{
	for (int i = 0; table[i] != nullptr; i++)
	{
		printf("[%d]:%p->", i ,table[i]);
		FPTR fp = table[i];
		fp();
	}
}
funtable((FPTR*)(*(int*)(&b)));
funtable((*(FPTR**)&d));

在这里插入图片描述

上面可以打印出虚函数表有哪些虚函数和地址
打印出各种变量的地址看看虚表在哪

int x = 0;
static int y = 0;
int* z = new int;
const char* p = "xxxxxxxxxxxxxxxxxx";

printf("栈对象：%p\n", &x);
printf("堆对象：%p\n", z);
printf("静态区对象：%p\n", &y);
printf("常量区对象：%p\n", p);
printf("b对象虚表：%p\n", *((int*)&b));
printf("d对象虚表：%p\n", *((int*)&d));

在这里插入图片描述

虚表更接近常量区

4.2 多态的原理

分析了半天多态的原理是什么？还记得fun函数传Person调用的是Person：：buyticket，传student调student的buyticket函数

在这里插入图片描述

class Person {
public:
 virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
 virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};
void Func(Person& p)
{
p.BuyTicket();
}
int main()
{
Person Mike;
 Func(Mike);
Student Johnson;
Func(Johnson);
 return 0;
}
  1. 观察下图红色箭头看到，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. 观察下面的蓝色箭头看到，p是指向johnson对象时，p->buyticket在johnson虚表中找到虚函数是student：：buyticket
  3. 要达到多态有两个条件，一个是虚函数覆盖，一个是父对象的指针或引用调用虚函数，为什么？
  4. 通过汇编分析，满足多态以后得函数调用，不是在编译时确定的，是运行起来后对象中取来的。不满足多态的函数调用时编译确认好的

在这里插入图片描述`void Func(Person* p)
{
p->BuyTicket();
}
int main()
{
Person mike;
Func(&mike);
mike.BuyTicket();

return 0;
}
// 以下汇编代码中跟你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
001940DE 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
001940E1 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
00B823EE mov eax,dword ptr [edx]
// 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。
001940EA call eax
00头1940EC 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();
00195182 lea ecx,[mike]
00195185 call Person::BuyTicket (01914F6h)
…
}`

4.3 动态绑定与静态绑定

1.静态绑定右成前期绑定（早绑定），在程序编译器间确定了程序的行为，称为静态多态，如函数重载
2.动态绑定称后期绑定（晚绑定），是程序运行期间，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，称为动态多态
3.本小姐之前，买票的代码很好的解释了什么是静态绑定和动态绑定

5. 单继承和多继承的虚函数表

需要注意的是单继承和多继承关系中，下面我们去关注的是派生类对象的虚表模型，因为基类的虚表模型前面已经看过了

5.1 单继承中的虚函数表

class Base { 
public :
 virtual void func1() { cout<<"Base::func1" <<endl;}
 virtual void func2() {cout<<"Base::func2" <<endl;}
private :
 int a;
};
class Derive :public Base { 
public :
 virtual void func1() {cout<<"Derive::func1" <<endl;}
 virtual void func3() {cout<<"Derive::func3" <<endl;}
 virtual void func4() {cout<<"Derive::func4" <<endl;}
private :
 int b;
};

观察下面中的监视窗口中我们发现看不见func3和func4，编译器的窗口故意隐藏了这两个函数，也可以认为是小bug，那么如何看虚表呢，用上面的代码打印这两个函数

在这里插入图片描述

typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
 cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
 for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
 {
 printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
 VFPTR f = vTable[i];
 f();
  }
 cout << endl;
}
int main()
{
 Base b;
 Derive d;
// 思路：取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，前面我们说了虚函数表本质是一个存虚函数
指针的指针数组，这个数组最后面放了一个nullptr
// 1.先取b的地址，强转成一个int*的指针
// 2.再解引用取值，就取到了b对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针
// 3.再强转成VFPTR*，因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。
// 4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表
// 5.需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最
后面没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的-生成-清理解决方案，再
编译就好了。
 VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
 PrintVTable(vTableb);
 VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
 PrintVTable(vTabled);
 return 0;
}

在这里插入图片描述

5.2 多继承中的虚函数表

class Base1 {
public:
 virtual void func1() {cout << "Base1::func1" << endl;}
 virtual void func2() {cout << "Base1::func2" << endl;}
private:
 int b1;
};
class Base2 {
public:
 virtual void func1() {cout << "Base2::func1" << endl;}
 virtual void func2() {cout << "Base2::func2" << endl;}
private:
 int b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:
 virtual void func1() {cout << "Derive::func1" << endl;}
 virtual void func3() {cout << "Derive::func3" << endl;}
private:
 int d1;
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
 cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
 for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
 {
 printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
 VFPTR f = vTable[i];
 f();
 }
 cout << endl;
}
int main()
{
 Derive d;
 VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
 PrintVTable(vTableb1);
 VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d+sizeof(Base1)));
 PrintVTable(vTableb2);
 return 0;
}

在这里插入图片描述

可以看出,多继承派生类的未重写的虚函数放在第一个继承基类部分的虚函数表中

5.3 菱形继承、菱形虚拟继承

十几种不建议菱形继承和菱形虚拟继承，一个是复杂太容易出问题，另一方面这样的模型，访问基类成员有一定性能损耗。所以菱形继承，菱形继承继承虚表不看了，一般也不需要研究清楚，实际中很少用，想了解下面有两篇链接
虚函数表解析
对象的内存布局

6. 继承和多态常见的问题

6.1 概念查考

  1. 下面哪种面向对象的方法可以让你变得富有( )
    A: 继承 B: 封装 C: 多态 D: 抽象
  2. ( )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。
    A: 继承 B: 模板 C: 对象的自身引用 D: 动态绑定
  3. 面向对象设计中的继承和组合，下面说法错误的是？（）
    A：继承允许我们覆盖重写父类的实现细节，父类的实现对于子类是可见的，是一种静态复
    用，也称为白盒复用
    B：组合的对象不需要关心各自的实现细节，之间的关系是在运行时候才确定的，是一种动
    态复用，也称为黑盒复用
    C：优先使用继承，而不是组合，是面向对象设计的第二原则
    D：继承可以使子类能自动继承父类的接口，但在设计模式中认为这是一种破坏了父类的封
    装性的表现
  4. 以下关于纯虚函数的说法,正确的是( )
    A：声明纯虚函数的类不能实例化对象 B：声明纯虚函数的类是虚基类
    C：子类必须实现基类的纯虚函数 D：纯虚函数必须是空函数
  5. 关于虚函数的描述正确的是( )
    A：派生类的虚函数与基类的虚函数具有不同的参数个数和类型 B：内联函数不能是虚函数
    C：派生类必须重新定义基类的虚函数 D：虚函数可以是一个static型的函数
  6. 关于虚表说法正确的是（ ）
    A：一个类只能有一张虚表
    B：基类中有虚函数，如果子类中没有重写基类的虚函数，此时子类与基类共用同一张虚表
    C：虚表是在运行期间动态生成的
    D：一个类的不同对象共享该类的虚表
  7. 假设A类中有虚函数，B继承自A，B重写A中的虚函数，也没有定义任何虚函数，则（ ）
    A：A类对象的前4个字节存储虚表地址，B类对象前4个字节不是虚表地址
    B：A类对象和B类对象前4个字节存储的都是虚基表的地址
    C：A类对象和B类对象前4个字节存储的虚表地址相同
    D：A类和B类虚表中虚函数个数相同，但A类和B类使用的不是同一张虚表
  8. 下面程序输出结果是什么? （）
#include<iostream>
using namespace std;
class A{
public:
 A(char *s) { cout<<s<<endl; }
 ~A(){}
};
class B:virtual public A
{
public:
 B(char *s1,char*s2):A(s1) { cout<<s2<<endl; }
};
class C:virtual public A
{
public:
 C(char *s1,char*s2):A(s1) { cout<<s2<<endl; }
};
class D:public B,public C
{
public:
 D(char *s1,char *s2,char *s3,char *s4):B(s1,s2),C(s1,s3),A(s1)
 { cout<<s4<<endl;}
};
int main() {
 D *p=new D("class A","class B","class C","class D");
 delete p;
 return 0;
}

A：class A class B class C class D B：class D class B class C class A
C：class D class C class B class A D：class A class C class B class D
9. 多继承中指针偏移问题？下面说法正确的是( )

class Base1 {  public:  int _b1; };
class Base2 {  public:  int _b2; };
class Derive : public Base1, public Base2 { public: int _d; };
int main(){
 Derive d;
 Base1* p1 = &d;
 Base2* p2 = &d;
 Derive* p3 = &d;
 return 0;
}

A：p1 == p2 == p3 B：p1 < p2 < p3 C：p1 == p3 != p2 D：p1 != p2 != p3
10. 以下程序输出结果是什么（）

  class A
   {
   public:
       virtual void func(int val = 1){ std::cout<<"A->"<< val <<std::endl;}
             virtual void test(){ func();}
   };
   
   class B : public A
   {
   public:
       void func(int val=0){ std::cout<<"B->"<< val <<std::endl; }
   };
   
   int main(int argc ,char* argv[])
   {
       B*p = new B;
       p->test();
       return 0;
   }

A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确

参考答案：

  1. A 2. D 3. C 4. A 5. B
  2. D 7. D 8. A 9. C 10. B

6.2 问答题

1.什么是多态
参考本课件
2.什么是重载、重写（覆盖）、重定义（隐藏）
参考本掉件
3.多态的实现原理？
参考本课件
4.inline函数可以是虚函数吗？
可以，不过inline函数本身是在定义出展开，没有地址，不能加到虚函数表里。所以会忽略inline属性，不再内联，加入到虚函数表里
5.静态成员可以是虚函数吗？
不能，因为静态成员函数没有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
6.构造函数可以是虚函数吗？
不能，因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始化的
7.析构函数可以是虚函数吗？
可以。并且最好把基类的析构函数定义为虚函数，参考本课件
8.对象访问普通函数快还是虚函数快？
如果是普通对象，是一样快的，如果是指针对象或者引用对象，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查找
9.虚函数表是什么阶段产生的？存在哪？
虚函数表是在编译阶段产生的，一般情况下存在代码段（常量区）
10.c++菱形继承的问题？虚继承的原理？
参考继承课件。注意这里不要把虚函数表和虚基表搞混了
11.什么是抽象类？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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