C++进阶-多态

2022-11-30 12:54:29 浏览数 (1)

C 进阶-多态

  • 零、前言
  • 一、多态的概念和定义
  • 二、虚函数
    • 1、概念和定义
    • 2、虚函数重写的特例
    • 3、C 11 override 和 final
    • 4、重载/重写/重定义对比
  • 三、抽象类
  • 四、多态的原理
    • 1、虚函数表
    • 2、多态的原理
    • 3、动态绑定与静态绑定
    • 4、多继承虚函数表
  • 五、继承和多态常见的面试问题

零、前言

C 有五大特性：对象，封装，继承，抽象和多态。而本章则将学习讲解C 中的多态

一、多态的概念和定义

  • 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

  • 示例：买票

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

  • 定义：

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

  • 多态构成条件：
    1. 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
    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进行重写
  • 示图：

二、虚函数

1、概念和定义

  • 虚函数语法：

被virtual修饰的类成员函数称为虚函数

  • 示例：
代码语言：javascript复制
class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() 
	{ 
		cout << "买票-全价" << endl; 
	}
};
  • 虚函数重写:

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

  • 示例：
代码语言：javascript复制
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 ps;
	Student st;
	Func(ps);
	Func(st);
	return 0;
}
  • 结果：

2、虚函数重写的特例

  1. 协变

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(基类与派生类虚函数返回值类型不同)

  • 示例：
代码语言：javascript复制
class A {};
class B : public A {};
class Person {
public:
	virtual A* f() 
	{ 
		cout << "virtual A* f()" << endl;
		return new A; 
	}
};
class Student : public Person {
public:
	virtual B* f() 
	{ 
		cout << "virtual B* f()" << endl;
		return new B; 
	}
};

void Func(Person& p)
{
	p.f();
}

int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	Func(ps);
	Func(st);
	return 0;
}
  • 结果：
  1. 派生类虚函数不加virtual

在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字也可以构成重写

  • 原因：

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)

  • 示例：
代码语言：javascript复制
class Person {
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
};
class Student : public Person {
public:
	//派生类虚函数不加virtual也构成虚函数
	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;
}
  • 结果：
  • 注意：

  1. 该种写法不是很规范，不建议这样使用
  2. 如果基类的虚函数不加virtual，派生类的虚函数加virtual，这种情况是不构成虚函数的
  3. 析构函数的重写

  1. 我们知道，基类指针和引用可以指向基类和派生对象，由此通过指针和引用释放对象时需要实现析构的多态，但基类与派生类析构函数名字不同
  2. 为了解决，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
  • 示例：
代码语言：javascript复制
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
//当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;
}
  • 结果：

3、C 11 override 和 final

  • 引入：

  1. 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（编译器会按需实例化，只有实例化才会进行检查）
  2. 为此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
  3. final

修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

  • 示例：
代码语言：javascript复制
class Car
{
public:
	virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
	virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
  • 结果：
  1. 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

  • 示例：
代码语言：javascript复制
class Car{
public:
virtual void Drive(){}
};
class Benz :public Car {
public:
virtual void Drive() override {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};
  • 结果：

4、重载/重写/重定义对比

  • 对比示图：

三、抽象类

  • 概念：

  1. 在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  • 示例：
代码语言：javascript复制
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();
}
  • 结果：
  • 接口继承和实现继承：

  1. 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
  2. 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（如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数）
  • 注意：

虽然函数重写需要接口一样，但是对于参数的缺省值没有检查，如果基类虚函数和派生类重写函数的缺省值不同，按照基类虚函数的接口来走，也就是说不用管派生类重写函数的接口

四、多态的原理

1、虚函数表

  • 例题：
代码语言：javascript复制
// 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;
};
  • 结果：
  • 解释：

b对象是8bytes，除了_b成员，还多一个 _vfptr放在对象的前面

  • 注意：

  1. _vfptr一般存放在变量前（存放位置与平台有关）
  2. 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)
  3. 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，虚函数表也称虚表）
  • 示例：
代码语言：javascript复制
// 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;
}
  • 示图：
  • 说明：

  1. 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），存在部分的另一部分是自己的成员
  2. 对于派生类d对象，因为Func1完成了重写，所以d的虚表中存的是重写的Derive::Func1（将继承的虚函数进行重写，而对应的在虚函数表上进行覆盖成自己的虚函数地址也叫作覆盖）（重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法）
  3. 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（用来表示结束）（可能根据编译器而定）
  • 派生类的虚表生成总结：

  1. 先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中
  2. 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
  3. 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
  • 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，只是函数的地址存到了虚表中，另外对象中存的是虚表指针，而虚表存在代码段中的（在vs平台下）（可以打印对象的地址与常量，变量进行比较）

2、多态的原理

  • 示例：
代码语言：javascript复制
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;
}
  • 示图：
  • 说明：

  1. 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. 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. 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
  5. 满足多态以后的函数调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到该对象中取找的（所以多态的条件包括使用基类对象指针或引用去调用，而不是基类对象）；不满足多态的函数调用是在编译时确认好的
  • 示图：
  • 汇编：
代码语言：javascript复制
// 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
    001940EC 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)
    ...
}

3、动态绑定与静态绑定

  • 概念：

  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（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

4、多继承虚函数表

注：我们想看多继承的虚函数表是怎么样的，但是内容窗口是有点问题的（可以认为是编译器设计没考虑到），没办法看到实际的情况，所以这里我们设计特殊的虚函数（返回值，参数相同）并使用打印虚函数表函数进行查看地址和调用验证

  • 示例：
代码语言：javascript复制
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) ();//这种函数指针的强转是一种特例
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);
    //取对象地址，（虚函数表指针一般存在对象前四个字节）要取前四个字节地址则用int*进行强转（只能指针类型强转才能改变指针的步长）
    //再进行解引用拿到虚函数表指针，然而这样子无法进行传参（类型不匹配），要强转为虚函数指针数组类型
	PrintVTable(vTableb1);
	VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d   sizeof(Base1)));//先转为char*步长便于越过Base1类去拿到Base2的地址
	PrintVTable(vTableb2);
	return 0;
}
  • 示图：
  • 说明：

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

  • 为什么对于两个虚函数func1的覆盖地址会不一样？

这里覆盖的地址进行了一次包装，每个地址都指向一个jump，而两个jump存的是同一个虚函数地址

  • 对于菱形继承/菱形虚拟继承：

实际中不建议设计出菱形继承及菱形虚拟继承：一方面太复杂容易出问题，另一方面这样的模型，访问基类成员有一定得性能损耗

  • 大概结果：示例： B继承A C继承A D继承B，C

五、继承和多态常见的面试问题

  1. 什么是多态？

简单来说，多态是不同对象同种行为产生不同状态 即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

  1. 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？

  1. 重载：在同一作用域中，函数名相同和参数不同构成重载
  2. 重写：在基类和继承类域中，对于虚函数，函数名，参数和返回值相同（特例除外），构成重写
  3. 重定义：在基类和继承类域中，函数名相同，不构成重载就构成重定义
  4. 多态的实现原理？

  1. 对于虚函数类会在对象的成员变量中生成虚函数表指针，指向的虚函数表中储 了该对象的虚函数地址
  2. 对于派生类会继承基类的虚函数表，如果派生类重写了虚函数，则会对继承的虚函数表中对应的函数地址进行覆盖成派生类对象的虚函数
  3. 当对象调用虚函数时会先找到虚函数表，通过虚函数表找到对应的虚函数，由此构成多态
  4. inline函数可以是虚函数吗？

可以，不过编译器会忽略inline属性，这个函数就不再是inline，因为虚函数要放到虚表中去

  1. 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，不能通过对象指针找到其虚函数表，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

  1. 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，如果构造函数为虚函数，会先在对象中的虚函数查找对应虚函数，而此时虚函数表没有生成（动态多态是运行时绑定）

  1. 析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？

  1. 可以，并且最好把基类的析构函数定义成虚函数
  2. 当基类指针指向new出来的基类对象或new出来的派生类对象时，需要使用指针进行释放对象，此时需要析构函数为虚函数，保证指针指向的对象成功释放
  3. 对象访问普通函数快还是虚函数更快？

如果是普通对象，是一样快的 如果是指针对象或者是引用对象，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去查找

  1. 虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？

虚函数表是在编译阶段（对象构造时）就生成的，一般情况下存在代码段(常量区)的

  1. C 菱形继承的问题？虚继承的原理？

  1. 菱形继承存在数据冗余和二义性的问题
  2. 虚继承会让继承的父类在成员变量中生成虚基表指针，指向虚基表会储存其继承的基类成员变量距离其成员变量的距离，通过该距离找到其基类成员变量，而两个继承的父类中的虚基表指向同一份父类的父类成员变量

注意：不要把虚函数表和虚基表搞混了

  1. 什么是抽象类？抽象类的作用？

  1. 抽象类用来表示现实中一些抽象的事物类型，抽象类不具有实例，派生类只是继承其虚函数接口，它强制派生类重写虚函数，否则派生类也是抽象函数
  2. 抽象类体现出了接口继承关系 ，以及用来更好的表示现实中一些抽象的事物类型
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