C++面向对象三大特性 -- 多态（重点）

目录

  • 一、什么是多态？
  • 二、多态的定义和实现
    • 2.1 虚函数
    • 2.2 虚函数的重写
    • 2.3 多态的构成条件
    • 2.4 C++11中的override和final
    • 2.5 重写(覆盖)，重载，重定义(隐藏)的对比
  • 三、多态的原理
    • 3.1 虚函数表
    • 3.2 再谈多态的条件
    • 3.3 动态绑定和静态绑定
    • 3.4 单继承和多继承关系的虚函数表
      • 3.4.1 单继承中的虚函数表
      • 3.4.2 多继承中的虚函数表
  • 四、练习
  • 五、思考以下问题

一、什么是多态？

多态就是多种形态的意思，指的是同一间事情，不同的人做，会有不同的效果；比如说你想在腾讯视频开一部电影，但是这部电影需要VIP特权才能看，而你不是VIP，当你点击观看视频时它检测到你不是VIP会员它就不让你看了，而别人是VIP的账号点击观看就能看完整版的视频。这就叫做多态。

二、多态的定义和实现

2.1 虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

2.2 虚函数的重写

虚函数的重写(覆盖)：子类中有一个跟父类完全相同的虚函数(即子类虚函数与父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父类的虚函数。

2.3 多态的构成条件

在继承体系中构成多态必须满足两个条件：
1、必须由父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，并且子类必须对父类的虚函数完成重写。
虚函数重写的条件：
虚函数重写的条件本来是规定：虚函数+三同，但是有一些例外。
1、父子类的函数都需要同时为虚函数，原则上都需要加上virtual关键字，父类的函数前必须加上virtual关键字才认为是虚函数，但是子类的虚函数可以不加virtual，原因是子类是继承了父类的成员变量和成员函数的，父类的函数是虚函数，可以认为子类的这个函数也是虚函数，但是建议父子类函数都加上virtual。
2、原则上一定要满足三同：函数名，参数(完全相同)，返回值必须相同；但是有一个例外就是协变，协变规定返回值可以不同，但是必须是父子类关系的指针或者引用，并且需要同为指针或者同为引用，不能一个返回指针，一个返回引用。

一、不构成多态

//不构成多态
class Person
{
public:
	void func()
	{
		cout << "Person::func()" << endl;
	}
};
class Student: public Person
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "Student::func()" << endl;
	}
};

int main()
{
	//父类的引用调用函数，父类的引用引用父类对象
	Person p;
	Person& rp = p;
	p.func();

	//父类的指针调用函数，父类的指针指向父类对象
	Person* pp = &p;
	pp->func();
	
	//父类的引用调用函数，父类的引用引用子类对象
	Student s;
	Person& rs = s;
	rs.func();

	//父类的指针调用函数，父类的指针指向子类对象
	Person* sp = &s;
	sp->func();

	return 0;
}

在这里插入图片描述

二、构成多态

//构成多态
class Person
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "Person::func()" << endl;
	}
};
class Student: public Person
{
public:
	//虚函数的重写
	virtual void func()
	{
		cout << "Student::func()" << endl;
	}
};

int main()
{
	//父类的引用调用函数，父类的引用引用父类对象
	Person p;
	Person& rp = p;
	p.func();

	//父类的指针调用函数，父类的指针指向父类对象
	Person* pp = &p;
	pp->func();
	
	//父类的引用调用函数，父类的引用引用子类对象
	Student s;
	Person& rs = s;
	rs.func();

	//父类的指针调用函数，父类的指针指向子类对象
	Person* sp = &s;
	sp->func();

	return 0;
}

在这里插入图片描述

需要特别注意一下析构函数的重写(基类和派生类析构函数的函数名不同)
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，无论是否加virtual关键字，都与基类的析构函数构成重写，虽然基类与派生类析构函数名字不同。它们的函数名不相同，看起来违背了重写的规则，其实编译器对析构函数的名称是做了特殊处理的，编译后析构函数的名称统一处理成destructor，所以父子类的析构函数的函数名是相同的，无参也无返回值，所以构成重写。
析构函数是否需要是虚函数？需要。
为什么？原因如下：

如果析构函数不是虚函数，即不构成多态：


class Person
{
public:
	//析构函数不构成多态
	/*virtual */~Person()
	{
		cout << "~Person()" << endl;
	}
};
class Student : public Person
{
public:
	~Student()
	{
		delete p;
		p = nullptr;
		cout << "~Student()" << endl;
	}

public:
	int* p = new int[100];
};

int main()
{
	Person* pp = new Person;
	//等价于pp->destructor()，不构成多态，
	//调用函数的时候按照pp的类型调用
	delete pp;

	Person* sp = new Student;
	//等价于sp->destructor()，不构成多态，
	//调用函数的时候按照sp的类型调用
	delete sp;

	return 0;
}

在这里插入图片描述

析构函数是虚函数，并构成多态：

class Person
{
public:
	//析构函数构成多态
	virtual ~Person()
	{
		cout << "~Person()" << endl;
	}
};
class Student : public Person
{
public:
	~Student()
	{
		delete p;
		p = nullptr;
		cout << "~Student()" << endl;
	}

public:
	int* p = new int[100];
};

int main()
{
	Person* pp = new Person;
	//等价于pp->destructor()，构成多态，
	//调用函数的时候按照pp指向的对象调用
	delete pp;

	Person* sp = new Student;
	//等价于sp->destructor()，构成多态，
	//调用函数的时候按照sp的指向的对象调用
	delete sp;

	return 0;
}

在这里插入图片描述
这样就能正确地调用析构函数释放资源了。

总结：多态，就是不同对象传递给成员函数的this，调用不同的函数。如果是多态，调用函数时看指针或者引用指向的对象。如果不构成多态，调用函数时只看该指针或者引用本身的类型。

2.4 C++11中的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，可能会导致函数名写错或者参数返回值写错而无法构成重写，而这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运行时没有得到预期结果才来调试会得不偿失，因此：C++11提供了override和final两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。

1、override用来修饰子类虚函数的，用于检查子类虚函数是否对基类的某个虚函数完成了重写，如果没有，则报错。
在这里插入图片描述
2、final用于修饰虚函数，表示虚函数不能再被重写。
在这里插入图片描述

2.5 重写(覆盖)，重载，重定义(隐藏)的对比

在这里插入图片描述

三、多态的原理

3.1 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;
};
int main()
{
	cout << sizeof(Base) << endl;

	return 0;
}

答案是8，为什么呢？明明只有一个整形的成员变量，不应该是4吗？因为Base类中存在虚函数，所以成员变量中增加了一个虚函数表指针，指向的虚函数表存放着所有虚函数的地址。
在这里插入图片描述
通过观察测试我们发现b对象是8字节，除了_b成员，还多一个_vfptr放在对象的前面(注意有些平台可能会放到对象的最后面，这个跟平台有关)，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)。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，虚函数表也简称虚表。

那么子类的虚表中又存放了什么呢？

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:
	//子类重写Func1
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Derive::Func1()" << endl;
	}
private:
	int _d = 2;
};
int main()
{
	Base b;
	Derive d;

	return 0;
}

在这里插入图片描述

  1. 派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员，另一部分是自己的成员。
  2. 基类b对象和派生类d对象虚表是不一样的，这里我们发现Func1完成了重写，所以d的虚表中存的是重写的Derive::Func1，所以虚函数的重写也叫作覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重写是语法层的叫法，覆盖是原理层的叫法。
  3. 另外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。
  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 c.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。

虚表存的是虚函数指针，不是虚函数，虚函数和普通函数是一样的，都是存在代码段的，只是他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。那么虚表存在哪的呢？下面我们可以通过一段代码验证一下：
在这里插入图片描述
由上推断出虚表是存放在常量区的。

3.2 再谈多态的条件

一、父类的指针或者引用调用虚函数
问题1：为什么不能是子类的指针或者引用调用虚函数？
因为父类的指针或者引用既能够接收父类的指针或者引用，也能够接收子类的指针或者引用(切片)。
问题2：为什么不能是父类对象调用虚函数？
解释如下：
在这里插入图片描述
二、虚函数的重写
为什么构成多态一定要子类重写父类的虚函数？
因为只有完成重写，子类的虚函数表的对应的函数地址才会被覆盖成子类重写之后的虚函数的地址，在调用时才能根据父类指针指向的对象调用对应的虚函数，指向父类对象就到父类的虚函数表里找虚函数的指针并调用函数，指向子类对象就到子类虚函数表中查找虚函数的指针并调用函数，这样就能完成多态。

在这里插入图片描述

3.3 动态绑定和静态绑定

  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，比如：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。

3.4 单继承和多继承关系的虚函数表

3.4.1 单继承中的虚函数表

打印虚表：

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;
};

//函数指针
typedef void (*FUNC_PTR) ();

void PrintVFT(FUNC_PTR table[])
{
	//虚表是以nullptr为结束标志的，所以
	// 可以借助这个来当循环的结束条件
	for (int i = 0; table[i] != nullptr; i++)
	{
		printf("[%d]->%p\n", i, table[i]);
	}
	printf("\n");
}

int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	int ptr = *(int*)&d;
	PrintVFT((FUNC_PTR*)ptr);

	return 0;
}

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

3.4.2 多继承中的虚函数表

打印虚函数表：

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;
};

函数指针
typedef void (*FUNC_PTR) ();

void PrintVFT(FUNC_PTR table[])
{
	//虚表是以nullptr为结束标志的，所以
	// 可以借助这个来当循环的结束条件
	for (int i = 0; table[i] != nullptr; i++)
	{
		printf("[%d]:%p->", i, table[i]);
		FUNC_PTR func = table[i];
		func();
	}
	printf("\n");
}

int main()
{
	Derive d;
	cout << sizeof(d) << endl;

	int vft1 = *((int*)&d);
	Base2* ptr = &d;
	int vft2 = *((int*)ptr);

	PrintVFT((FUNC_PTR*)vft1);
	PrintVFT((FUNC_PTR*)vft2);

	return 0;
}

观察下图可以看出：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。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

四、练习

第一题、
在这里插入图片描述

第二题、
在这里插入图片描述

第三题、
在这里插入图片描述
第四题、
在这里插入图片描述

五、思考以下问题

  1. 什么是多态？答：参考文章内容。
  2. 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？答：参考文章内容。
  3. 多态的实现原理？答：参考文章内容。
  4. inline函数可以是虚函数吗？答：可以，不过编译器会自动忽略inline属性，这个函数就不再是inline函数了，因为虚函数要放到虚表中去，而inline函数是在编译时展开的，并没有函数的地址，所以虚函数地址要放到虚表中去就一定要有函数地址。
  5. 静态成员可以是虚函数吗？答：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？答：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？什么场景下析构函数是虚函数？答：可以，并且最好把基类的析构函数定义成虚函数。参考文章内容。
  8. 对象访问普通函数快还是虚函数更快？答：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，因为一旦构成多态，在运行时调用虚函数就需要到虚函数表中去查找。
  9. 虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？答：虚函数表是在编译阶段就生成的，一般情况下存在代码段(常量区)的。（参考文章验证的内容。）
  10. C++菱形继承的问题？虚继承的原理？答：参考上一篇关于继承的文章。注意不要把虚函数表和虚基表搞混了。

以上就是今天想要跟大家分享的内容了，你学会了吗？多态是非常重要的内容哦，实践中也是经常使用的，所以一定要掌握哦，如果你感觉到有所帮助的话，就点点赞点点关注呗，后期还会持续更新C++相关的知识哦，我们下期见啦！！！！！！！！！！！！！

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