C++(多态)

发布时间：2023年12月22日

目录

前言：

1.多态的概念

2.多态的定义及实现?

?2.1多态的构成条件

?2.2析构函数的重写（基类与派生类析构函数名字不同）

2.3虚函数重写?

2.4C++ override 和final

2.5 重载、覆盖（重写）隐藏（重定义）的对比

3.多态的原理

3.1虚表与续表指针?

3.2动态绑定与静态绑定

4单继承与多继承?

4.1单继承中虚表

4.2多继承中虚表?

4.2.1子类新增虚表归属问题?

?4.2.2多继承虚函数调用问题

4.3菱形继承多态与菱形虚拟继承多态?

前言：

上一章节对面向对象三大特性的继承做了知识复盘，本章节对最后一个特性多态做一个知识梳理和总结。

1.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。可以举个现实中车站买票的例子，同一个窗口，不同年龄多，不同职业的对象去买票价格是不同的（这就是多种形态也就是多态）

2.多态的定义及实现?

?2.1多态的构成条件

? ? ? ? 实现多态需要借助虚表，这里的虚表指的是虚函数表，虽然也是借助关键字：virtual，?这里需要和继承里面的虚拟继承区分开，两个概念不能搞混。有了虚函数表，就可以使用父类指针进行不同对象调用实现不同形态（接下来会仔细介绍）

? ? ? ? 继承中构成多态的两个条件：

? ? ? ? ? ? ? ? 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

? ? ? ? 我们通过一个买票的demo 理清楚多态的流程

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

};
class Student :public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << " 半价票 " << endl; }

};


void Func(Person& person)
{
	person.BuyTicket();
}
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Func(p);
	Func(s);

	return 0;

}

?注意：除了上面提到的构成多态的两个必要条件，有两个例外是需要注意的

  • 除父类外，其他子类中的函数不必使用 virtual 修饰，此时仍然能构成多态（注意三同，需要构成重写）
  • 父子类中的虚函数返回值可以不相同，但此时需要返回对应的父类指针或子类指针，确保构成多态，这一现象称为 协变（了解）
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;}
};

?2.2析构函数的重写（基类与派生类析构函数名字不同）

1-析构函数可以是虚函数吗？为什么需要是虚函数？
2-析构函数加virtual，是不是虚函数重写？?

????????答案是肯定的，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。虽然函数名不相同，看起来违背了重写的规则，其实不然，这里可以理解为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。

??????为什么要这么处理呢？是要要让他们构成重写吗 那为什么要让他们构成重写呢？我们可以用一个demo 来解释为什么要这么做：

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

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

	~Student() {
		cout << "~Student()" << endl;
		delete[] ptr;
	}

protected:
	int* ptr = new int[10];
};

int main()
{
	//Person p;
	//Student s;

	Person* p = new Person;
	p->BuyTicket();
	delete p;

	p = new Student;
	p->BuyTicket();
	delete p; // p->destructor() + operator delete(p)

	// 这里我们期望p->destructor()是一个多态调用，而不是普通调用

	return 0;
}

????????此时 只有BuyTicket函数和父类构成了虚函数重写，且都是由父类指针进行的调用，所以我们会看到买票的多态，但是析构函数并未构成虚函数重写（既不是虚函数也不是重写）再调用delete p的时候，他只是一个普通对象，当前类型为Person* 所以只会去调用父类的析构，从而造成内存泄漏。

????????虽然编译器对析构函数名称做了特殊处理，编译后嘻哈猴函数的名称统一处理成 destructor?

我们还是希望p->destrctor（）能够是一个多态调用，而不是普通调用，那就是构成虚函数重写，所以我们就能理解，为什么父类成员必须加上virtual。修改完成后就不会造成内存泄漏了，代码如下：

总结：?

如何快速判断是否构成多态？

  • 首先观察父类的函数中是否出现了 virtual 关键字
  • 其次观察是否出现虚函数重写现象，三同：返回值、函数名、参数（协变例外）
  • 最后再看调用虚函数时，是否为【父类指针】或【父类引用】

父类指针或引用调用函数时，如何判断函数调用关系？

  • 若满足多态：看其指向对象的类型，调用这个类型的成员函数
  • 不满足多态：看具体调用者的类型，进行对应的成员函数调用

2.3虚函数重写?

? ? ? ? 通过上面的介绍，我们知道虚函数是构成多态的必要条件，我们也知道想要构成多态，还需要实现重写，可是重写具体怎么实现，我们好像一笔带过，下面我将用代码，虚函数表的具体演示，派生类如何实现覆盖，重写，以及重写了什么

#include <iostream>

using namespace std;

class A
{
public:
	virtual void func(int val = 1) { cout << "A: " << val << endl; }
};

class B : public A
{
public:
	virtual void func(int val = 2) { cout << "B: " << val << endl; }
};

int main()
{
	A* p = new B();
	p->func();
	return 0;
}

?

结果解析：初始化两个对象的时候，子类继承父类且都是是虚函数，会创建两张虚函数表，我们发现虚表指针的地址不一样，所以第一步，是两张虚表，当使用父类指针调用的时候，就会去完成重写，将父类的虚表复制，将自己的虚函数函数进行覆盖，但是重写的是实现方法，也就是外壳，内容是不会改变的，所以最后的结果就是 B:1

补充：

? ? ? ? ?我们已知多态的条件之一就是父类的指针或者引用去调用，那为什么不能子类的指针或者引用去调用呢？为啥不能是父类对象呢？

? ? ? ? 答：1因为是复制父类的虚表进行重写，如果是父类调用父类就不用重写，父类调用子类就重写子类属于自己的那部分，如果用子类指针 永远无法调用到父类；

? ? ? ? ? ? ? ?2 子类赋值给父类对象切片，不会拷贝虚表，如果拷贝虚表，那么父类对象虚表中是父类虚函数还是子列就不确定，会乱套。

2.4C++ override 和final

?????????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，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，可以帮助用户检测是否重写。

  • final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写，对于父类的虚函数，如果加上final就不能被重写，也就无法实现多态

  • 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

?

?

2.5 重载、覆盖（重写）隐藏（重定义）的对比

?????????

截至目前为止，我们已经学习了三个 “重” 相关函数知识：重载、重写、重定义

这三兄弟不止名字很像，而是功能也都差不多，很多面试题中也喜欢考这三者的区别

重载：即函数重载，函数参数 不同而触发，不同的 函数参数 最终修饰结果不同，确保链接时不会出错，构成重载

重写（覆盖）：发生在类中，当出现虚函数且符合重写的三同原则时，则会发生重写（覆盖）行为，具体表现为 父类虚函数接口 + 子类虚函数体，是实现多态的基础

重定义（隐藏）：发生在类中，当子类中的函数名与父类中的函数名起冲突时，会隐藏父类同名函数，默认调用子类的函数，可以通过 :: 指定调用

重写和重定义比较容易记混，简言之 先看看是否为虚函数，如果是虚函数且三同，则为重写；若不是虚函数且函数名相同，则为重定义

? ?

3.多态的原理

? ? ? ? ?之前提到过多态需要虚函数表，以及指向虚函数标的指针，我们可以写一个空类，通过测试大小验证一下：

class Parent
{
	virtual void func() {};
};

int main()
{
	Parent p;	
	cout << "Parent : " << sizeof(p) << endl;
	return 0;
}

? ? ? ?

? ? ? ? 通过验证我们发现，一个带有虚函数的类的大小在64位平台下是8，因此也就验证了我们猜想，虚函数的类中包含一个虚表指针?。虚表指针->虚表 实现多态。

3.1虚表与续表指针?

????????虚函数表（虚表）即 virtual function table -> vft，指向虚表的指针称为 虚表指针 virtual function pointer -> vfptr，在 vs 的监视窗口中，可以看到涉及虚函数类的对象中都有属性 __vfptr（虚表指针），可以通过虚表指针所指向的地址，找到对应的虚表。虚函数表中存储的是虚函数地址，可以在调用函数时根据不同的地址调用不同的方法。

????????在下面这段代码中，父类?Person?有两个虚函数（func3?不是虚函数），子类?Student?重写了?func1?这个虚函数，同时新增了一个?func4?虚函数

#include <iostream>

using namespace std;

class Person
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Person::fun1()" << endl; };
	virtual void func2() { cout << "Person::fun2()" << endl; };
	void func3() { cout << "Person::fun3()" << endl; };	//fun3 不是虚函数
};

class Student : public Person
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Student::fun1()" << endl; };

	virtual void func4() { cout << "Student::fun4()" << endl; };
};

int main()
{
	Person p;
	Student s;
    return 0;
}

如何通过程序验证虚表的真实性？

  • 虚表指针指向虚表，虚表中存储的是虚函数地址，而 64?位平台中指针大小为 8字节
  • 因此可以先将虚表指针强转为 指向首个虚函数 的指针，然后遍历虚表打印各个虚函数地址验证即可。
  • vs 中对虚表做了特殊处理：在虚表的结尾处放了一个 nullptr，因此下面这段代码可能在其他平台中跑不了。
    ?

?

typedef void (*VF_T)();//函数指针 为下面函数指针数组做铺垫


class Person
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Person::fun1()" << endl; };
	virtual void func2() { cout << "Person::fun2()" << endl; };
	void func3() { cout << "Person::fun3()" << endl; };	//fun3 不是虚函数
};

class Student : public Person
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Student::fun1()" << endl; };

	virtual void func4() { cout << "Student::fun4()" << endl; };
};
void test(VF_T table[])
{
	int i = 0;
	while(table[i])
	{
		printf(" [%d]:%p->", i, table[i]);
		//虚函数表里面存的是虚函数地址 直接解引用就是该虚函数
		VF_T f = table[i];
		f();
		i++;
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	test((VF_T*)(*(int*)&p));
	test((VF_T*)(*(int*)&s));

	return 0;
}

????????

?因为平台不同指针大小不同，因此上述传递参数的方式(VF_T*)(*(int*)&p?具有一定的局限性
假设在?64?位平台下，需要更改为?(VF_T*)(*(long long*)&p

综上所述，虚表是真实存在的，只要当前类中涉及了虚函数，那么编译器就会为其构建相应的虚表体系

虚表相关知识补充：

  • 虚表是在 编译 阶段生成的
  • 虚表指针是在构造函数的 初始化列表 中初始化的
  • 虚表一般存储在 常量区（代码段），有的平台中可能存储在 静态区（数据段）

?

int main()
{
	//验证虚表的存储位置
	Person p;
	Student s;

	int a = 10;	//栈
	int* b = new int;	//堆
	static int c = 0;	//静态区（数据段）
	const char* d = "xxx";	//常量区（代码段）

	printf("a-栈地址：%p\n", &a);
	printf("b-堆地址：%p\n", b);
	printf("c-静态区地址：%p\n", &c);
	printf("d-常量区地址：%p\n", d);

	printf("p 对象虚表地址：%p\n", *(VF_T**)&p);
	printf("s 对象虚表地址：%p\n", *(VF_T**)&s);


	return 0;
}

?

显然，虚表地址与常量区的地址十分接近，因此可以推测 虚表位于常量区中，因为它需要被同一类中的不同对象共享，同时不能被修改（如同代码一样）

函数代码也是位于?常量区（代码段），可以在监视窗口中观察两者的差异

?

3.2动态绑定与静态绑定

?静态绑定（前期绑定/早绑定）

  • 在编译时确定程序的行为，也称为静态多态

动态绑定（后期绑定/晚绑定）

  • 在程序运行期间调用具体的函数，也称为动态多态

?

p1->func1();
p2->func1();

add(1, 2);
add(1.1, 2.2);

????????简单来说，静态绑定就像函数重载，在编译阶段就确定了不同函数的调用；而动态绑定是虚函数的调用过程，需要 虚表指针+虚表，在程序运行时，根据不同的对象调用不同的函数

?

4单继承与多继承?

?????????需要注意的是在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 的虚表模型前面我们已经看过了，没什么需要特别研究的。

4.1单继承中虚表

我们上面研究的基本都是子类继承父类，对父类中的虚函数进行覆盖重写。?

?

向父类中新增虚函数：父类的虚表中会新增，同时子类会继承，并纳入自己的虚表之中

向子类中新增虚函数：只有子类能看到，因此只会纳入子类的虚表中，父类是看不到并且无法调用的

向父类/子类中添加非虚函数时：不属于虚函数，不进入虚表，仅当作普通的类成员函数处理

4.2多继承中虚表?

???C++?中支持多继承，这也就意味着可能出现?多个虚函数重写?的情况，当父类指针面临?不同虚表中的相同虚函数重写?时，该如何处理呢？??

#include <iostream>
using namespace std;

//父类1
class Base1
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Base1::func1()" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base1::func2()" << endl; }
};

//父类2
class Base2
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Base2::func1()" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base2::func2()" << endl; }
};

//多继承子类
class Derive : public Base1, public Base2
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1()" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func3()" << endl; }	//子类新增虚函数
};

int main()
{
	Derive d;
	return 0;
}

此时，derive继承了base1和base2，所以derive有两张虚表，分别为?Base1 + Derive::func1?构成的虚表、Base2 + Derive::func1?构成的虚表?

?

此时出现了两个问题：

  1. 子类?Derive?中新增的虚函数?func3?位于哪张虚表中？
  2. 为什么重写的同一个?func1?函数，在两张虚表中的地址不相同？

下面我们对这两个问题做一个深度解析。

4.2.1子类新增虚表归属问题?

?????????在单继承中，子类中新增的虚函数会放到子类的虚表中，因为只有一张表我们没有疑问，多继承中，子类中新增的虚函数默认添加至第一张虚表中，我们可以通过test打印进行验证，因为此时有两张虚表，所以需要分别打印；第一张虚表的地址和子类的首地址重合，只需要取地址+类型强转；第二张虚表就比较麻烦，需要在第一张虚表的起始地址处，跳过第一张虚表的大小，然后才能获取第二张虚表的起始地址。

?

//打印虚表
typedef void(*VF_T)();

void test(VF_T table[])
{
	//vs中在虚表的结尾处添加了 nullptr
	int i = 0;
	while (table[i])
	{
		printf("[%d]:%p->", i, table[i]);
		VF_T f = table[i];
		f();	//调用函数，相当于 func()
		i++;
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	Derive d;

	test(*(VF_T**)&d);	//第一张虚表
	test(*(VF_T**)((char*)&d + sizeof(Base1)));	//第二张虚表
	return 0;
}

?

????????可以看出新增的?func3?函数确实在第一张虚表中;可能有的人觉得取第二张虚表的起始地址很麻烦，那么可以试试利用?切片?机制，天然的取出第二张虚表的地址切片行为是天然的，可以完美取到目标地址.

Base2* table2 = &d;	//切片
PrintVFTable(*(VF_T**)table2);	//第二张虚表

?4.2.2多继承虚函数调用问题

????????在上面的多继承多态代码中，子类分别重写了两个父类中的?func1?函数，但最终通过监视窗口发现：同一个函数在两张虚表中的地址不相同；因此可以推测：编译器在调用时，根据不同的地址寻找到同一函数，解决冗余虚函数的调用问题至于实际调用链路，还得通过汇编代码展现：

?

?

????????ptr2 在调用时的关键语句 sub ecx 4；sub 表示减法，ecx 通常存储 this 指针4 表示 Base1 的大小；这条语句表示将当前的 this 指针向前偏移 sizeof(Base1)，后续再 jmp 时，调用的就是同一个 func1；这一过程称为 this 指针修正，用于解决冗余虚函数的调用问题

????????为什么是 Base2 修正？因为先继承了 Base1，后继承了 Base2，假设先继承的是 Base2，那么修正的就是 Base1这种设计很大胆也很巧妙，完美解决了多继承多态带来的问题因此回答问题二：两张虚表中同一个函数的地址不同，是因为调用方式不同，后继承类中的虚表需要通过 this 指针修正的方式调用虚函数。

4.3菱形继承多态与菱形虚拟继承多态?

????????菱形继承问题是 C++ 多继承中的大坑，为了解决菱形继承问题，提出了 虚继承 + 虚基表 的相关概念，那么在多态的加持之下，菱形继承多态变得更加复杂：需要函数调用链路设计的更加复杂菱形虚拟继承多态就更不得了：需要同时考虑两张表：虚表、虚基表

  • 虚基表中空余出来的那一行是用来存储偏移量的：表示当前虚基表距离虚表有多远
    ?

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文章来源:https://blog.csdn.net/weixin_45476980/article/details/135144229
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