C++ 关于多态的知识点讲解

目录1. 多态的概念2. 多态的定义及实现2.1 多态的构成条件2.1.1 实现多态的两个必要条件2.1.2 虚函数2.1.3 虚函数的重写/覆盖2.1.4 多态场景的一个选择题2.1.5 虚函数重写的一些其他问题2.1.6 override 和 final 关键字2.1.7 重载/重写/隐藏的对比3. 纯虚函数和抽象类4. 多态的原理4.1 虚函数表指针4.2 多态的原理4.2.1 多态是如何实现的4.2.2 动态绑定与静态绑定4.2.3 虚函数表正文开始1. 多态的概念多态(polymorphism)的概念通俗来说就是多种形态。多态分为编译时多态(静态多态)和运行时多态(动态多态)本文重点讲述运行时多态编译时多态(静态多态)和运行时多态(动态多态)。编译时多态(静态多态)主要就是过往文章中讲的函数重载和函数模板他们传不同类型的参数就可以调用不同的函数通过参数不同达到多种形态之所以叫编译时多态是因为他们实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的我们把编译时一般归为静态运行时归为动态。运行时多态具体点就是去完成某个行为(函数)可以传不同的对象就会完成不同的行为就达到多种形态。比如买票这个行为当普通人买票时是全价买票学生买票时是优惠买票(5折或75折)军人买票时是优先买票。再比如同样是动物叫的一个行为(函数)传猫对象过去就是”(^ω^) 喵“传狗对象过去就是汪汪。2. 多态的定义及实现2.1 多态的构成条件多态是一个继承关系的下的类对象去调用同一函数产生了不同的行为。比如Student继承了 Person。Person对象买票全价Student对象优惠买票。2.1.1 实现多态的两个必要条件必须是基类的指针或者引用调用虚函数被调用的函数必须是虚函数并且完成了虚函数重写/覆盖。说明要实现多态效果第⼀必须是基类的指针或引用因为只有基类的指针或引用才能既指向基类对象又指向派生类对象第二派生类必须对基类的虚函数完成重写/覆盖重写或者覆盖了基类和派生类之间才能有不同的函数多态的不同形态效果才能达到。2.1.2 虚函数类成员函数前面加virtual修饰那么这个成员函数被称为虚函数。注意非成员函数不能加virtual修 饰。class Person { public: virtual void BuyTicket() { cout 买票-全价 endl; } };2.1.3 虚函数的重写/覆盖虚函数的重写/覆盖派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数(即派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。注意在重写基类虚函数时派生类的虚函数在不加virtual关键字时虽然也可以构成重写(因为继承后基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性)但是该种写法不是很规范不建议这样使用不过在考试选择题中经常会故意买这个坑让你判断是否构成多态。#include iostream using namespace std; class Person { public: virtual void BuyTicket() { cout 买票-全价 endl; } }; class Student : public Person { public: virtual void BuyTicket() { cout 买票-打折 endl; } }; void Func(Person * ptr) { // 这⾥可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket // 但是跟ptr没关系⽽是由ptr指向的对象决定的。 ptr-BuyTicket(); } int main() { Person ps; Student st; Func(ps); Func(st); return 0; }class Animal { public: virtual void talk() const {} }; class Dog : public Animal { public: virtual void talk() const { std::cout 汪汪 std::endl; } }; class Cat : public Animal { public: virtual void talk() const { std::cout (^ω^)喵 std::endl; } }; void letsHear(const Animal animal) { animal.talk(); } int main() { Cat cat; Dog dog; letsHear(cat); letsHear(dog); return 0; }2.1.4 多态场景的一个选择题以下程序输出结果是什么A: A-0 B: B-1 C: A-1 D: B-0 E: 编译出错 F: 以上都不正确class A { public: virtual void func(int val 1) { std::cout A- val std::endl; } virtual void test() { func(); } }; class B : public A { public: void func(int val 0) { std::cout B- val std::endl; } }; int main(int argc, char* argv[]) { B* p new B; p-test(); return 0; }代码分析A 类中virtual void func(int val 1) — 虚函数默认参数为 1virtual void test() — 调用 func()没有传参所以会用默认参数B 类继承 A重写了 func但默认参数是 0注意默认参数是静态绑定的不是虚函数机制的一部分没有重写 test。调用过程B* p new B; p-test();p 是B*test() 在 B 中没有重写所以调用的是 A::test()A::test() 里面调用 func();这里 func 是虚函数所以会动态绑定到实际对象类型 B 的 func。但是默认参数是静态绑定的取决于调用时使用的静态类型。解题关键所在默认参数在A::test()中调用func()时在 A::test() 中func() 的调用形式是func(); // 没有参数使用默认参数此时func 的静态类型是 A因为 test 是 A 的成员函数里面看到的 func 是 A::func 的声明。所以默认参数是 A::func 的默认参数 1而不是 B::func 的 0。但实际调用的函数体是 B::func因为虚函数动态绑定。所以默认参数值 1来自 A 的声明实际执行的函数 B::func输出B-1。2.1.5 虚函数重写的一些其他问题协变(了解即可)派生类重写基类虚函数时与基类虚函数返回值类型不同。即基类虚函数返回基类对象的指针或者引用派生类虚函数返回派生类对象的指针或者引用时称为协变。协变的实际意义并不大所以了解即可。class A {}; class B : public A {}; class Person { public: virtual A* BuyTicket() { cout 买票-全价 endl; return nullptr; } }; class Student : public Person { public: virtual B* BuyTicket() { cout 买票-打折 endl; return nullptr; } }; void Func(Person* ptr) { ptr-BuyTicket(); } int main() { Person ps; Student st; Func(ps); Func(st); return 0; }析构函数的重写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看起来不符合重写的规则实际上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所以基类的析构函数加了vialtual修饰派生类的析构函数就构成重写。下面的代码我们可以看到如果~A()不加virtual那么delete p2时只调用的A的析构函数没有调用B的析构函数就会导致内存泄漏问题因为~B()中在释放资源。注意这个问题值得重视需要结合类似下面的样例进行理解为什么基类中的析构函数建议设计为虚函数class A { public: virtual ~A() { cout ~A() endl; } }; class B : public A { public: ~B() { cout ~B()-delete: _p endl; delete _p; } protected: int* _p new int[10]; }; // 只有派⽣类Student的析构函数重写了Person的析构函数下⾯的delete对象调⽤析构函数才能 //构成多态才能保证p1和p2指向的对象正确的调⽤析构函数。 int main() { A* p1 new A; A* p2 new B; delete p1; delete p2; return 0; }2.1.6 override 和 final 关键字C对虚函数重写的要求是比较严格的但是有些情况下由于疏忽比如函数名写错、参数写错等导致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debug会得不偿失因此C11提供了override可以帮助用户检测是否重写。如果我们不想让派生类重写这个虚函数那么可以用final去修饰。// error C3668: “Benz::Drive”: 包含重写说明符“override”的⽅法没有重写任何基类⽅法 class Car { public: virtual void Dirve() {} }; class Benz :public Car { public: virtual void Drive() override { cout Benz-舒适 endl; } }; int main() { return 0; } // error C3248: “Car::Drive”: 声明为“final”的函数⽆法被“Benz::Drive”重写 class Car { public: virtual void Drive() final {} }; class Benz :public Car { public: virtual void Drive() { cout Benz-舒适 endl; } }; int main() { return 0; }2.1.7 重载/重写/隐藏的对比注意值得多多理解记忆3. 纯虚函数和抽象类在虚函数的后面写上 0 则这个函数为纯虚函数纯虚函数不需要定义实现(实现没啥意义因为要被派生类重写但是语法上可以实现)只要声明即可。包含纯虚函数的类叫做抽象类抽象类不能实例化出对象如果派生类继承后不重写纯虚函数那么派生类也是抽象类。纯虚函数某种程度上强制了派生类重写虚函数因为不重写实例化不出对象。class Car { public: virtual void Drive() 0; }; class Benz :public Car { public: virtual void Drive() { cout Benz-舒适 endl; } }; class BMW :public Car { public: virtual void Drive() { cout BMW-操控 endl; } }; int main() { // 编译报错error C2259: “Car”: ⽆法实例化抽象类 Car car; Car * pBenz new Benz; pBenz-Drive(); Car * pBMW new BMW; pBMW-Drive(); return 0; }4. 多态的原理4.1 虚函数表指针下面编译为32位程序的运行结果是什么A. 编译报错 B. 运行报错 C. 8 D. 12class Base { public: virtual void Func1() { cout Func1() endl; } protected: int _b 1; char _ch x; }; int main() { Base b; cout sizeof(b) endl; return 0; }上面题目运行结果12bytes除了_b和_ch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virtualf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一个类所有虚函数的地址要被放到这个类对象的虚函数表中虚函数表也简称虚表。4.2 多态的原理4.2.1 多态是如何实现的从底层的角度Func函数中ptr-BuyTicket()是如何作为ptr指向Person对象调用Person::BuyTicketptr指向Student对象调用Student::BuyTicket的呢通过下图我们可以看到满足多态条件后底层不再是编译时通过调用对象确定函数的地址而是运行时到指向的对象的虚表中确定对应的虚函数的地址这样就实现了指针或引用指向基类就调用基类的虚函数指向派生类就调用派生类对应的虚函数。第一张图ptr指向的Person对象调用的是Person的虚函数第⼆张图ptr指向的Student对象调用的是Student的虚函数。class Person { public: virtual void BuyTicket() { cout 买票-全价 endl; } private: string _name; }; class Student : public Person { public: virtual void BuyTicket() { cout 买票-打折 endl; } private: string _id; }; class Soldier : public Person { public: virtual void BuyTicket() { cout 买票-优先 endl; } private: string _codename; }; void Func(Person * ptr) { // 这⾥可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket // 但是跟ptr没关系⽽是由ptr指向的对象决定的。 ptr-BuyTicket(); } int main() { // 其次多态不仅仅发⽣在派⽣类对象之间多个派⽣类继承基类重写虚函数后 // 多态也会发⽣在多个派⽣类之间。 Person ps; Student st; Soldier sr; Func(ps); Func(st); Func(sr); return 0; }4.2.2 动态绑定与静态绑定对不满足多态条件(指针或者引用调用虚函数)的函数调用是在编译时绑定也就是编译时确定调用函数的地址叫做静态绑定。满足多态条件的函数调用是在运行时绑定也就是在运行时到指向对象的虚函数表中找到调用函数的地址也就做动态绑定。// ptr是指针BuyTicket是虚函数满⾜多态条件。 // 这⾥就是动态绑定编译在运⾏时到ptr指向对象的虚函数表中确定调⽤函数地址 ptr-BuyTicket(); 00EF2001 mov eax, dword ptr[ptr] 00EF2004 mov edx, dword ptr[eax] 00EF2006 mov esi, esp 00EF2008 mov ecx, dword ptr[ptr] 00EF200B mov eax, dword ptr[edx] 00EF200D call eax // BuyTicket不是虚函数不满⾜多态条件。 // 这⾥就是静态绑定编译器直接确定调⽤函数地址 ptr-BuyTicket(); 00EA2C91 mov ecx, dword ptr[ptr] 00EA2C94 call Student::Student(0EA153Ch)4.2.3 虚函数表基类对象的虚函数表中存放基类所有虚函数的地址。同类型的对象共用同⼀张虚表不同类型的对象各自有独立的虚表所以基类和派生类有各自独立的虚表。派生类由两部分构成继承下来的基类和自己的成员⼀般情况下继承下来的基类中有虚函数表指针自己就不会再生成虚函数表指针。但是要注意的这里继承下来的基类部分虚函数表指针和基类对象的虚函数表指针不是同⼀个就像基类对象的成员和派生类对象中的基类对象成员也独立的。派生类中重写的基类的虚函数派生类的虚函数表中对应的虚函数就会被覆盖成派生类重写的虚函数地址。派生类的虚函数表中包含(1)基类的虚函数地址(2)派生类重写的虚函数地址完成覆盖派生类自己的虚函数地址三个部分。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0x00000000标记。(这个C并没有进行规定各个编译器自行定义的vs系列编译器会再后⾯放个0x00000000标记g系列编译不会放虚函数存在哪的虚函数和普通函数⼀样的编译好后是⼀段指令都是存在代码段的只是虚函数的地址又存到了虚表中虚函数表存在哪的这个问题严格说并没有标准答案C标准并没有规定我们写下面的代码可以对比验证⼀下。vs下是存在代码段(常量区)注这⾥Derive中没有看到func3函数这个vs监视窗口看不到可以通过内存窗口查看class Base { public: virtual void func1() { cout Base::func1 endl; } virtual void func2() { cout Base::func2 endl; } void func5() { cout Base::func5 endl; } protected: int a 1; }; class Derive : public Base { public: // 重写基类的func1 virtual void func1() { cout Derive::func1 endl; } virtual void func3() { cout Derive::func1 endl; } void func4() { cout Derive::func4 endl; } protected: int b 2; }; int main() { Base b; Derive d; return 0; }int main() { int i 0; static int j 1; int* p1 new int; const char* p2 xxxxxxxx; printf(栈:%p\n, i); printf(静态区:%p\n, j); printf(堆:%p\n, p1); printf(常量区:%p\n, p2); Base b; Derive d; Base * p3 b; Derive * p4 d; printf(Person虚表地址:%p\n, *(int*)p3); printf(Student虚表地址:%p\n, *(int*)p4); printf(虚函数地址:%p\n, Base::func1); printf(普通函数地址:%p\n, Base::func5); return 0; } 运⾏结果 栈:010FF954 静态区 : 0071D000 堆 : 0126D740 常量区 : 0071ABA4 Person虚表地址 : 0071AB44 Student虚表地址 : 0071AB84 虚函数地址 : 00711488 普通函数地址:007114BF