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c++多态对象模型:单继承,多继承

程序员文章站 2024-03-22 23:48:22
...

要理解对象模型,首先需要理解多态是什么?

一:多态

虚函数:类的成员函数前加virtual
虚函数重写:子类中定义了一个和父类完全相同的虚函数。(覆盖)

举一个简单的例子:很多买票的场景,成人需要买全票,但是学生只用买半票,这就有了重写虚函数的必要。

class Person
{
public:
    virtual void Buy()//成人买全票
    {
        cout << "买全价票" << endl;
    }
};

class Student : public Person
{
public:
    virtual void Buy()//学生买半票
    {
        cout << "买半价票" << endl;
    }

};

可以看到子类中定义了一个和父类完全相同的虚函数,构成了重写。

void func(Person& p)
{
    p.Buy();
}

void test()
{
    Person p;
    Student s;
    //func(p);
    func(s);
}

func函数的作用是,使用父类的指针调用重写的虚函数,当传p的时候,毫无疑问,调用了父类的虚函数,但是当传s的时候,调用的却是子类的虚函数,这是怎么回事呢?
c++多态对象模型:单继承,多继承
这就是多态!

多态:当使用父类的指针/引用调用重写的虚函数时,当指向父类调用就是父类的虚函数,指向子类的调的就是子类的虚函数(和类型无关)。

可以说,构成了多态,就与对象有关,不构成多态,就和类型有关。
这里需要说明三点:
1.去掉父类的virtual关键字,则不构成多态,也就是与类型有关。
2.去掉子类的virtual关键字,依然构成多态,我理解为编译器的默认。
3.当父类的返回值和子类的返回值不同(一个是void,一个是int)时,编译器报错:

重写虚函数返回类型有差异,且不是来自“Person::Buy”的协变

那么什么是协变呢,简单来说,就是虚函数的重写:函数名必须相同,参数必须相同,返回值可以不同(必须是父子关系的指针/引用):
c++多态对象模型:单继承,多继承
这里的返回值构成了协变的条件,所以不会报错。

这里容易混淆重载,重定义和重写,总结一下:
c++多态对象模型:单继承,多继承

注意:父类的析构函数最好定义为虚函数。

class A
{
public:
    A(int x = 1)
        :_pa(new int(x))
    {}

    ~A()
    {
        cout << "~A()" << endl;
    }
protected:
    int* _pa;
};

class B : public A
{
public:
    B(int b)
        :A(b)
        ,_pb(new int(b))
    {
    }


    ~B()
    {
        cout << "~B()" << endl;
    }

protected:
    int* _pb;
};

void test()
{
    A* pa = new B(1);
    delete pa;//此时也应该调用B的析构
}

c++多态对象模型:单继承,多继承

本来应该调用B的析构,但是没有,因为没有构成多态,与类型有关,若加上virtual,按上文所说,构成了虚函数得重写。

c++多态对象模型:单继承,多继承
此时构成了多态:基类的指针调用重写的虚函数。

二:单继承,多继承

①单继承

class Base
{
public:
    virtual void func1()
    {
        cout << "Bass::func1()" << endl;
    }

    virtual void func2()
    {
        cout << "Bass::func2()" << endl;
    }

    void func3()
    {
        cout << "Bass::func3()" << endl;
    }

public:
    int _a;
};

可以看出,Base类中有两个虚函数和一个普通函数。
按照以前的知识,sizeof(Base)应该是4,因为函数放在公共区域,但是它的大小是8字节,怎么回事?来看
一看Base的布局情况:Base b1;

c++多态对象模型:单继承,多继承

数组指针_vfptr与_a的总大小为8,这样就解释了原因,但是我觉得还需要深层探索:
查看内存:

c++多态对象模型:单继承,多继承
对照内存,我得出了模型:
c++多态对象模型:单继承,多继承

总结,当类中有虚函数时,那么就会有一个_vfptr指针,是指向虚函数的表,它是一个指针数组,存的是虚函数的地址。

接下来介绍单继承模型:

class Derive : public Bass
{
public:
    virtual void func1()
    {
        cout << "Derive::func1()" << endl;
    }

    virtual void func3()
    {
        cout << "Derive::func3()" << endl;
    }

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

public:
    int _b;
};

Derive继承了Base类,并且重写了func1,而且有两个自己的虚函数。
查看布局:
c++多态对象模型:单继承,多继承

但是这里只存了两个虚函数,剩下的func3和func3呢?
首先把_a,_b分别赋值为1,2,方便查看内存。
c++多态对象模型:单继承,多继承
对比地址,看似已经得到了func3和func4的地址,但是有人告诉我说是假地址,那我可以打印地址来得到真地址:

typedef void(*U_FUNC)();

Print((int**)(*((int**)&b1)));
Print((int**)(*((int**)&d1)));

void Print(int** vfptr)
{
    for (size_t i = 0; vfptr[i] != 0; ++i)
    {
        printf("vfper[%d]:%p->", i, vfptr[i]);
        U_FUNC f = (U_FUNC)vfptr[i];
        f();
        cout << endl;
    }
    cout << "____________________________________" << endl;
}

这段代码其实很简单,取d的地址的前四个字节(64位下是前8个)传给Print函数,然后以4字节(64位下是8字节)为步数,打印指向的内容,结果如下:

c++多态对象模型:单继承,多继承

c++多态对象模型:单继承,多继承
注:地址和刚才不一样是因为清理了解决方案,这样得到了监视窗口显示不出来的func3和func4的真地址。
func3是普通函数,那么调用不同函数和调用虚函数有什么不同呢?

    Bass* p = &b1;
    p->func1();//多态(父类指针调用重写虚函数,去对象的虚表里找)是动态联编
    p->func3();//普通调用,静态联编

来从汇编角度看:
c++多态对象模型:单继承,多继承

可以说,动态联编就是指针/引用+虚函数
多态就是动态联编+虚函数的重写

②多继承:

class Bass1
{
public:
    virtual void func1()
    {
        cout << "Bass1::func1()" << endl;
    }

    virtual void func2()
    {
        cout << "Bass1::func2()" << endl;
    }
private:
    int _a;
};

class Bass2
{
public:
    virtual void func1()
    {
        cout << "Bass2::func1()" << endl;
    }

    virtual void func2()
    {
        cout << "Bass2::func2()" << endl;
    }
private:
    int _b;
};

class Derive : public Bass1 , Bass2
{
public:
    virtual void func1()
    {
        cout << "Derive::func1()" << endl;
    }

    virtual void func3()
    {
        cout << "Derive::func3()" << endl;
    }
private:
    int _c;
};

可以看到,这是一个多继承,Bass1和Bass2分别有两个虚函数func1和fun2,Derive继承了Bass1和Bass2,并且重写了func1,自己有一个虚函数func3。
c++多态对象模型:单继承,多继承
接下来看Derive的布局:Derive d;
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它有两个虚表,分别是两个父类的,存的是func1,func2,同样的,看不到func3,需要调用刚才写的打印函数:
首先打印Bass1的虚表:

Print((int**)(((int*)&d)));
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可以看到,func3在Bass1的虚表里。
再来打印Bass2的虚表:

Print((int**)(((int*) ( (char*)&d+sizeof(Bass1) ) )));//第二个虚表需要往下移sizeof(Bass1)个字节。
c++多态对象模型:单继承,多继承
这样,显而易见,func3存在了Bass1的虚表里,并且同时覆盖了两个父类的重写的虚函数。
多继承模型:
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