【c++】多态-阿里云开发者社区

多态的概念

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。

多态是在不同继承关系的类对象，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对象买票半价。

多态的条件

1.虚函数的重写

（父子类虚函数，要求三同（函数名，参数，返回值）

2.父类的指针或者引用去调用

虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数

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

虚函数的重写

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)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。

#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-半价" << endl; }
};
void Func(Person& p)
{
  p.BuyTicket();
}
int main()
{
  Person ps;
  Student st;
  Func(ps);
  Func(st);
  return 0;
}

虚函数重写的两个例外

协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)
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。

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;}
};

析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)
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。
关于析构函数是否要重写？？

class Person {
public:
   ~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
   ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
int main()
{
  Person* p1 = new Person;
  Person* p2 = new Student;
  delete p1;
  delete p2;
  return 0;
}

构成重写的父子类的析构函数加入关键词，实现多态

class Person {
public:
  virtual ~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
  virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
int main()
{
  Person* p1 = new Person;
  Person* p2 = new Student;
    delete p1;
  delete p2;
  return 0;
}

如果子类有申请空间·的话，需要调用自己的析构函数来释放申请的空间，但是由于这个指针是父类的指针，如果不满足多态的话，两个都只会调用父类的析构，多态实现使得申请的子类空间可以被释放.

结论：建议析构函数定义为虚函数，防止发生内存泄漏

多态面试题

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;
}
 A: A->0 B : B->1 C : A->1 D : B->0 E : 编译出错 F : 以上都不正确

多继承中指针偏移问题？下面说法正确的是(c )

class Base1 {  public:  int _b1; };
class Base2 {  public:  int _b2; };
class Derive : public Base1, public Base2 { public: int _d; };
int main(){
 Derive d;
 Base1* p1 = &d;
 Base2* p2 = &d;
 Derive* p3 = &d;
 return 0;
}

A：p1 == p2 == p3 B：p1 < p2 < p3 C：p1 == p3 != p2 D：p1 != p2 != p3

C++11 override 和 final

从上面可以看出，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

class Car
{
public:
 virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
 virtual void Drive() {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};

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。

class Car{
public:
 virtual void Drive(){}
};
class Benz :public Car {
public:
 virtual void Drive() override {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};

返回值不同

参数不同

函数名不同

未能构成虚函数

重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

多态的原理

虚函数表

// 这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？
class Base
{
public:
  virtual void Func1()
  {
    cout << "Func1()" << endl;
  }
private:
  int _b = 1;
};
int main()
{
  cout << sizeof(Base) << endl;
}

为什么是8呢？

虚函数表的继承

class Base
{
public:
  virtual void Func1()
  {
    cout << "Base::Func1()" << endl;
  }
  virtual void Func2()
  {
    cout << "Base::Func2()" << endl;
  }
  void Func3()
  {
    cout << "Base::Func3()" << endl;
  }
private:
  int _b = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
  virtual void Func1()
  {
    
      cout << "Derive::Func1()" << endl;
  }
private:
  int _d = 2;
};
int main()
{
  Base b;
  Derive d;
  return 0;
}

通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：

派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员，虚表指针也就是存在部分的另一部分是自己的成员。
基类b对象和派生类d对象虚表是不一样的，这里我们发现Func1完成了重写，所以d的虚表中存的是重写的Derive::Func1，所以虚函数的重写也叫作覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。
另外Func2继承下来后是虚函数，所以放进了虚表，Func3也继承下来了，但是不是虚函数，所以不会放进虚表。
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nullptr。
总结一下派生类的虚表生成：a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中 b.如果派生类重写了基类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数 c.派生类自己新增加的虚函数按其在派生类中的声明次序增加到派生类虚表的最后。
虚函数存在哪的？虚表存在哪的？
虚表存的是虚函数指针，不是虚函数，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。

上面分析了这个半天了那么多态的原理到底是什么？还记得这里Func函数传Person调用的

Person::BuyTicket，传Student调用的是Student::BuyTicket

p是指向mike对象时，p->BuyTicket在mike的虚表中找到虚

函数是Person::BuyTicket。

p是指向johnson对象时，p->BuyTicket在johson的虚表中

找到虚函数是Student::BuyTicket。

这样就实现出了不同对象去完成同一行为时，展现出不同的形态。

满足多态以后的函数调用，不是在编译时确定的，是运行

起来以后到对象的中取找的。不满足多态的函数调用时编译时确认好的。

// 以下汇编代码中跟你这个问题不相关的都被去掉了
void Func(Person* p)
{
...
 p->BuyTicket();
// p中存的是mike对象的指针，将p移动到eax中
001940DE  mov         eax,dword ptr [p]
// [eax]就是取eax值指向的内容，这里相当于把mike对象头4个字节(虚表指针)移动到了edx
001940E1  mov         edx,dword ptr [eax]
// [edx]就是取edx值指向的内容，这里相当于把虚表中的头4字节存的虚函数指针移动到了eax
00B823EE  mov         eax,dword ptr [edx]
// call eax中存虚函数的指针。这里可以看出满足多态的调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象的中取找的。
001940EA  call        eax  
001940EC  cmp         esi,esp  
}
int main()
{
... 
// 首先BuyTicket虽然是虚函数，但是mike是对象，不满足多态的条件，所以这里是普通函数的调用转换成地址时，是在编译时已经从符号表确认了函数的地址，直接call 地址
 mike.BuyTicket();
00195182  lea         ecx,[mike]
00195185  call        Person::BuyTicket (01914F6h)  
... 
}

单继承中的虚函数表

class Base {
public:
  virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
  virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
private:
  int a;
};
class Derive :public Base {
public:
  virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
  virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
  virtual void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
private:
  int b;
};
int main()
{
  Base st1;
  Derive st2;
}

观察下图中的监视窗口中我们发现看不见func3和func4。这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数，也可以认为是他的一个小bug。那么我们如何查看d的虚表呢？下面我们使用代码打印出虚表中的函数。

typedef void(*VFPTR) ();//函数指针
class Base {
public:
  virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
  virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
private:
  int a;
};
class Derive :public Base {
public:
  virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
  virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
  virtual void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
private:
  int b;
};
//
// 打印对象虚表
typedef void(*VFPTR)();
void PrintVFT(VFPTR* vft)
{
  for ( int i = 0;i<4;i++)
  {
    printf("%p->", vft[i]);
    
  }
}
int main()
{
  Base b;
  Derive d;
    VFPTR* ptr = (VFPTR*)(*((int*)&d));//函数指针数组第一个元素的地址
  PrintVFT(ptr);
  return 0;
}

【c++】多态

多态的概念

多态的条件

虚函数

虚函数的重写

虚函数重写的两个例外

多态面试题

C++11 override 和 final

重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

多态的原理

单继承中的虚函数表

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