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C++多态的实现原理及代码实例

程序员文章站 2022-03-26 19:09:58
一、类的多态 // animal.cpp #include class animal { public: void sleep() { std...

一、类的多态

// animal.cpp
#include 

class animal
{
public:
    void sleep()
    {
        std::cout<<"animal sleep"<breathe();
    return 0;
}

程序执行结果:fish breathe

当程序使用迟绑定(late binding)时,就会在运行时再去确定对象的类型以及正确的调用函数。

要让编译器采用迟绑定,就要在基类中声明函数时使用virtual关键字,这样的函数称为虚函数

函数在基类中声明为virtual,那么在所有的派生类中该函数都是virtual,而不需要显示地声明为virtual。

(1)创建虚表。编译器在编译的时候,发现animal类中有虚函数,此时编译器为每个包含虚函数的类创建一个虚表(即vtable),该表是一个一维数组,数组中存放每个虚函数的地址。

animal和fish类都包含了一个虚函数breathe(),编译器会为这两个类都建立一个虚表。

(2)如何定位虚表呢?编译器为每个类的对象提供了一个虚表指针,这个指针指向了对象所属类的虚表。在程序运行时,根据对象的类型去初始化vptr,让vptr正确的指向所属类的虚表。从而在调用虚函数时,能够找到正确的函数。

virtualfunc.cpp中pan实际指向的对象类型是fish,因此vptr指向fish类型的vtable。当调用pan->breathe()时,根据虚表中的函数地址找到的就是fish类的breathe()函数。

(3)虚表指针在哪初始化?在构造函数中进行虚表的创建和虚表指针的初始化。构造子类对象时,要先用父类的构造函数,此时编译器只"看到了"父类,并不知道后面是否还有继承者。它初始化父类对象的虚表指针,该虚表指针指向父类的虚表。当执行子类的构造函数时,子类对象的虚表指针被初始化,指向自身的虚表。

当fish类的fh对象构造完毕后,其内部的虚表指针也被初始化为指向fish类的虚表。在类型转换后,调用pan->breathe(),由于pan实际指向的是fish类的对象,该对象内部非虚表指针指向的是fish类的虚表,因此最终调用的是fish类的breathe()函数。

对于虚函数调用来说,每一个对象内部都有一个虚表指针,该虚表指针初始化为本来的虚表,所以在程序中,不管对象类型如何转换,该对象内部的虚表指针是固定的,所以才能实现动态的对象函数调用。这就是c++多态性实现的原理。

总结(基类有虚函数):

1、每一个类都有虚表

2、虚表可以继承。如果子类没有重写虚函数,那么子类虚表中该函数的地址指向的是基类的虚函数实现。

如果基类有3个虚函数,那么基类的虚表中有三项(虚函数地址)。派生类也会有虚表,至少有3项。如果重写了相应的虚函数,那么虚表中的地址就会改变,指向自身的虚函数实现。如果派生类有自己的虚函数,那么虚表中就会添加该项。

3、虚函数只能借助指针或者引用来达到多态的效果。

二、虚函数和纯虚函数的区别

纯虚函数是虚函数后面加上"=0",即virtual void fun() = 0

纯虚函数是在基类中声明的虚函数,它在基类中没有定义,但要求任何派生类都必须实现这个函数

抽象类是指包含至少一个纯虚函数的类。

基类中:虚函数可以有定义,纯虚函数只有声明没有定义。

派生类中:虚函数可以被重写,也可以继承基类虚函数;必须在派生类中实现基类的纯虚函数。

三、函数的多态性

在同一个类中,成员函数被重载。指的是一个函数被定义成多个不同参数的函数,它们一般被存在头文件中,当调用这个函数时,根据不同的参数,就会调用不同的同名函数。

四、重载、重写(覆盖)、隐藏的区别

重载:成员函数被重载的特征:

(1)相同的范围(在同一个类中)

(2)函数名字相同 静态的

(3)参数不同

(4)virtual关键字可有可无

重写:指派生类函数重写基类函数:

(1)不同的范围(分别位于基类与派生类)

(2)函数名字相同 动态的

(3)参数相同

(4)基类函数必须有virtual关键字

隐藏:指派生类的函数屏蔽了其同名的基本函数(范围:不在同一个类中)

(1)函数同名,但参数不同,此时无论有无virtual关键字,基类的函数被隐藏(与重载的区别是范围不同)

(2)函数同名,且参数相同,但基类函数没有virtual关键字,基类的函数被隐藏(与重写的区别是有无virtual)