c++中的多态机制

程序员文章站 2022-06-24 12:58:51

静态联编与动态联编、赋值兼容性原则、多态原理详解、虚析构函数、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；

 1 // 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；
 2 #include <iostream>
 3 #include <string>
 4 
 5 using namespace std;
 6 
 7 class parent
 8 {
 9 public:
10     int mi;
11 
12     void add(int i)
13     {
14         mi += i;
15     }
16     
17     void add(int a, int b)
18     {
19         mi += (a + b);
20     }
21 };
22 
23 class child : public parent
24 {
25 public:
26     int mi;
27     
28     void add(int x, int y, int z)
29     {
30         mi += (x + y + z);
31     }
32 };
33 
34 int main()
35 {
36     parent p;
37     child c;
38     
39     c.mi = 100;
40     p = c;             // p.mi = 0; 子类对象退化为父类对象
41     parent p1(c);   // p1.mi = 0; 同上
42     parent& rp = c;
43     parent* pp = &c;
44     
45     rp.add(5);             
46     pp->add(10, 20);        
47     
48     cout << "p.mi: " << p.mi <<endl;                           // p.mi: 0; 
49     cout << "p1.mi: " << p1.mi <<endl;                       // p1.mi: 0;  
50     cout << "c.parent::mi: " << c.parent::mi <<endl;    // c.parent::mi: 35
51     cout << "rp.mi: " << rp.mi <<endl;                        // rp.mi: 35
52     cout << "pp->mi: " << pp->mi <<endl;                 // pp->mi: 35
53     
54     return 0;
55 }

　　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：

 1 #include <iostream>
 2 #include <string>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class parent
 7 {
 8 public:    
 9     void print()
10     {
11         cout << "i'm parent." << endl;
12     }
13 };
14 
15 class child : public parent
16 {
17 public:    
18     void print()
19     {
20         cout << "i'm child." << endl;
21     }
22 };
23 
24 void how_to_print(parent* p)
25 {
26     p->print();
27 }
28 
29 int main()
30 {
31     parent p;
32     child c;
33     
34     how_to_print(&p);   // i'm parent    // expected to print: i'm parent.
35     how_to_print(&c);   // i'm parent    // expected to print: i'm child.
36     
37     return 0;
38 }

　　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。

c++中的多态机制

　　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

　　 c++中的多态机制

　　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；

 1 #include <iostream>
 2 #include <string>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class parent
 7 {
 8 public:
 9     virtual void func()
10     {
11         cout << "parent::void func()" << endl;
12     }
13     
14     virtual void func(int i)
15     {
16         cout << "parent::void func(int i) : " << i << endl;
17     }
18     
19     virtual void func(int i, int j)
20     {
21         cout << "parent::void func(int i, int j) : " << "(" << i << ", " << j << ")" << endl;
22     }
23 };
24 
25 class child : public parent
26 {
27 public:
28     void func(int i, int j)
29     {
30         cout << "child::void func(int i, int j) : " << i + j << endl;
31     }
32     
33     void func(int i, int j, int k)
34     {
35         cout << "child::void func(int i, int j, int k) : " << i + j + k << endl;
36     }
37 };
38 
39 void run(parent* p)
40 {
41     p->func(1, 2);     // 展现多态的特性
42                        // 动态联编
43 }
44 
45 
46 int main()
47 {
48     parent p;
49     
50     p.func();         // 静态联编
51     p.func(1);        // 静态联编
52     p.func(1, 2);     // 静态联编
53     
54     cout << endl;
55     
56     child c;
57     
58     c.func(1, 2);     // 静态联编
59     
60     cout << endl;
61     
62     run(&p);
63     run(&c);
64     
65     return 0;
66 }
67 /*
68     parent::void func()
69     parent::void func(int i) : 1
70     parent::void func(int i, int j) : (1, 2)
71 
72     child::void func(int i, int j) : 3
73 
74     parent::void func(int i, int j) : (1, 2)
75     child::void func(int i, int j) : 3
76 */

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

　　 c++中的多态机制

　　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？

 1 #include <iostream>
 2 #include <string>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class demo1
 7 {
 8 private:
 9     int mi; // 4 bytes
10     int mj; // 4 bytes
11 public:
12     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
13 };
14 
15 class demo2
16 {
17 private:
18     int mi; // 4 bytes
19     int mj; // 4 bytes
20 public:
21     void print(){}
22 };
23 
24 int main()
25 {
26     cout << "sizeof(demo1) = " << sizeof(demo1) << " bytes" << endl; // sizeof(demo1) = 16 bytes
27     cout << "sizeof(demo2) = " << sizeof(demo2) << " bytes" << endl; // sizeof(demo2) = 8 bytes
28     
29     return 0;
30 }
31 
32 // 64bit(os) 指针占 8 bytes
33 // 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

 1 #include <iostream>
 2 #include <cstring>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class base
 7 {
 8 protected:
 9     char *name;
10 public:
11     base()
12     {
13         name = new char[20];
14         strcpy(name, "base()");
15         cout <<this << "  " << name << endl;
16     }
17     
18     ~base()
19     {
20         cout << this << "  ~base()" << endl;
21         delete[] name;
22     }
23 };
24 
25 
26 class derived : public base
27 {
28 private:
29     int *value;
30 public:
31     derived()
32     {
33         strcpy(name, "derived()");
34         value = new int(strlen(name));
35         cout << this << "  " << name << "  " << *value <<  endl;
36     }
37     
38     ~derived()
39     {
40         cout << this << "  ~derived()" << endl;
41         delete value;
42     }
43 };
44 
45 
46 int main()
47 {    
48     cout << "在赋值兼容中，关于 子类对象存在内存泄漏的测试" << endl;
49     
50     base* bp = new derived();
51     cout << bp << endl;
52     // ...
53     delete bp;  // 虽然是父类指针，但析构的是子类资源
54 
55     return 0;
56 }
57 
58 /**
59  * 在赋值兼容中，关于 子类对象存在内存泄漏的测试
60  * 0x7a1030  base()
61  * 0x7a1030  derived()  9
62  * 0x7a1030
63  * 0x7a1030  ~base()
64  */

 1 #include <iostream>
 2 #include <cstring>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class base
 7 {
 8 protected:
 9     char *name;
10 public:
11     base()
12     {
13         name = new char[20];
14         strcpy(name, "base()");
15         cout <<this << "  " << name << endl;
16     }
17     
18     virtual ~base()
19     {
20         cout << this << "  ~base()" << endl;
21         delete[] name;
22     }
23 };
24 
25 
26 class derived : public base
27 {
28 private:
29     int *value;
30 public:
31     derived()
32     {
33         strcpy(name, "derived()");
34         value = new int(strlen(name));
35         cout << this << "  " << name << "  " << *value <<  endl;
36     }
37     
38     virtual ~derived()
39     {
40         cout << this << "  ~derived()" << endl;
41         delete value;
42     }
43 };
44 
45 
46 int main()
47 {
48     //derived *dp = new derived();
49     //delete dp; // 直接通过子类对象释放资源不需要 virtual 关键字
50     
51     cout << "在赋值兼容中，虚析构函数的测试" << endl;
52     
53     base* bp = new derived();
54     cout << bp << endl;
55     // ...
56     delete bp;  // 动态多态发生
57 
58     return 0;
59 }
60 
61 /**
62  * 在赋值兼容中，虚析构函数的测试
63  * 0x19b1030  base()
64  * 0x19b1030  derived()  9
65  * 0x19b1030
66  * 0x19b1030  ~derived()
67  * 0x19b1030  ~base()
68  */

　　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。

c++中的多态机制

　　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。　　　

 1 #include <iostream>
 2 #include <string>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class base
 7 {
 8 public:
 9     base()
10     {
11         cout << "base()" << endl;
12         
13         func();
14     }
15     
16     virtual void func() 
17     {
18         cout << "base::func()" << endl;
19     }
20     
21     virtual ~base()
22     {
23         func();
24         
25         cout << "~base()" << endl;
26     }
27 };
28 
29 
30 class derived : public base
31 {
32 public:
33     derived()
34     {
35         cout << "derived()" << endl;
36         
37         func();
38     }
39     
40     virtual void func()
41     {
42         cout << "derived::func()" << endl;
43     }
44     
45     virtual ~derived()
46     {
47         func();
48         
49         cout << "~derived()" << endl;
50     }
51 };
52 
53 void test()
54 {
55     derived d;
56 }
57 
58 int main()
59 {   
60     //栈空间
61     test();
62 
63     // 堆空间
64     //base* p = new derived();    
65     //delete p; // 多态发生（指针p指向子类对象，并且又有虚函数重写）
66     
67     return 0;
68 }
69 /*
70 base()
71 base::func()
72 derived()
73 derived::func()
74 derived::func()
75 ~derived()
76 base::func()
77 ~base()
78 */

　　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

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c++中的多态机制

目录

背景介绍

多态介绍

1、什么是多态

2、多态的分类

3、动态多态成立的条件

4、静态联编和动态联编

5、动态多态的实现原理

6、虚析构函数

7、关于虚函数的思考题

8、纯虚函数、抽象类、接口

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c++中的多态机制

目录

背景介绍

多态介绍

1、 什么是多态

2、 多态的分类

3、动态多态成立的条件

4、静态联编和动态联编

5、动态多态的实现原理

6、 虚析构函数

7、 关于虚函数的思考题

8、纯虚函数、抽象类、接口

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