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多态的讲解

2024-03-25 39
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简介： 多态的讲解

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。

举个栗子：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，是半价买票；军人买票时是优先买票。

再举个例子： 最近为了争夺在线支付市场，支付宝年底经常会做诱人的扫红包-支付-给奖励金的活动。那么大家想想为什么有人扫的红包又大又新鲜8块、10块…，而有人扫的红包都是1毛，5毛…。其实这个背后也是一个关于多态的问题，支付宝后台会分析用户的使用支付宝的数据，如果你是一个新用户，他就会给你的多，从而让你多去使用支付宝。这就是典型的多态！

多态的定义及实现

多态的构成条件

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。

但是要满足多态在继承中就要有以下两个条件：

  1. 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
  2. 被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对基类的虚函数进行重写

如果是对象直接调用的话就不会构成多态，上图中的虚函数覆盖就是我们所说的虚函数重写，其实覆盖是底层实现上的理解，而重写是语义上的理解，我们在后面也会对其讲解

虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

其实在继承中我们就提到过virtual这个关键字，它可以解决菱形继承问题

我们举一个虚函数的例子：

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。

我们称虚函数的重写为三同：

返回值类型
函数名字
函数列表

其实虚函数的重写会有例外，我们在后面会有讲解

照旧还是用代码举例，我们就用买票来举例：

在以下的代码我们可以看到student继承了person类，并且重写了虚函数buyticket，在Func函数中我们就引用基类person对象，然后调用buyticket函数

然后在main函数中我们的person类和student类各自创建了一个对象，分别调用Func函数

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;
}

代码结果如下：

因为有虚函数的重写就构成了多态，这就是多态的体现，如果是学生就是半票，不是学生就是全票

另外大家要注意：

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)

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

下面我们就来了解虚函数重写的例外：

  1. 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。
    简单地来讲就是返回值类型可以不同，但是他们之间必须是父子类的关系
    例如：
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; }
};
  1. 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。

例如：

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;
}
C++11 override 和 final
  1. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

例如：

这段代码就会报错，因为drive被final修饰了，所以不能被重写了

class Car
{
public:
  virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
  virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
  1. 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。

例如：

如果派生类没有重写基类的某个虚函数，就会报错

这里有一个大家可以注意的点：

虚函数可以有多个！

class Car {
public:
  virtual void Drive() {}
};
class Benz :public Car {
public:
  virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

注意：重载是函数名相同参数不同

抽象类

抽象类的概念

在**虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫接口类），抽象类不能实例化出对象。**派生类继承后也不能实例化出对象，只有重写纯虚函数，派生类才能实例化出对象。纯虚函数规范了派生类必须重写，另外纯虚函数更体现出了接口继承。

例如：

benz类和bmw类都对car类的drive纯虚函数进行了重写

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;
  }
};
void Test()
{
  Car* pBenz = new Benz;
  pBenz->Drive();
  Car* pBMW = new BMW;
  pBMW->Drive();
}
接口继承

普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，可以使用函数，继承的是函数的实现。虚函数的继承是一种接口继承，派生类继承的是基类虚函数的接口，目的是为了重写，达成多态，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

其实虚函数就是为多态而生的！

以上是多态的语法层的一些讲解，下面我们开始原理的讲解

多态的原理

虚函数表

我们有一道题来开始：

本题的输出结果是多少

class Base
{
public:
  virtual void Func1()
  {
    cout << "Func1()" << endl;
  }
private:
  int _b = 1;
};
int main()
{
  Base b;
  cout << sizeof(b) << endl;
}

根据内存对其规则，base类只有一个int的成员_b，int类型大小为4个字节，但是考虑到内存对齐，从第四个字节的位置开始存放成员b，大小为8，这是我们大部分人的思路

我们来跑一跑这段代码：

正确答案是16

这是为什么呢，我们可以通过调试来观察：

我们可以看到b对象除了有_b，还有一个_vfptr放在对象的前面，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual，f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，因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表。那么派生类中这个表放了些什么呢？我们接着往下分析

针对上面的代码我们做出以下改造：

1.我们增加一个派生类Derive去继承Base

2.Derive中重写Func1

3.Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3

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：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 虚函数存在哪的？虚表存在哪的？
    注意：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。那么虚表存在哪的呢？实际我们去验证一下会发现vs下是存在代码段的
多态的原理

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

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 Mike;
  Func(Mike);
  Student Johnson;
  Func(Johnson);
  return 0;
}
  1. 观察下图的红色箭头我们看到，p是指向mike对象时，p->BuyTicket在mike的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket。
  2. 观察下图的蓝色箭头我们看到，p是指向johnson对象时，p->BuyTicket在johson的虚表中找到虚函数是Student::BuyTicket。
  3. 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。
  4. 反过来思考我们要达到多态，有两个条件，一个是虚函数覆盖，一个是对象的指针或引用调用虚函数。反思一下为什么？
  5. 再通过下面的汇编代码分析，看出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。

单继承和多继承关系的虚函数表

需要注意的是在单继承和多继承关系中，下面我们去关注的是派生类对象的虚表模型，因为基类的虚表模型前面我们已经看过了，没什么需要特别研究的

单继承中的虚函数表

请看代码：

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;
};

我们通过监视窗口看一下：

我们可以看到，func3和func4也是虚函数，但是d中的_vfptr却在窗口中没有，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。

由于博主的能力有限，就不做讲解，大家仔细理解

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;
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
  // 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
  cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
  for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
  {
    printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
    VFPTR f = vTable[i];
    f();
  }
  cout << endl;
}
int main()
{
  Base b;
  Derive d;
  // 思路：取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，前面我们说了虚函数表本质是一个存虚函数
  //指针的指针数组，这个数组最后面放了一个nullptr
    // 1.先取b的地址，强转成一个int*的指针
    // 2.再解引用取值，就取到了b对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针
    // 3.再强转成VFPTR*，因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。
    // 4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表
    // 5.需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最
    //后面没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的 - 生成 - 清理解决方案，再
    //编译就好了。
  VFPTR * vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
  PrintVTable(vTableb);
  VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
  PrintVTable(vTabled);
  return 0;
}
多继承中的虚函数表

请看代码：

class Base1 {
public:
  virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; }
  virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; }
private:
  int b1;
};
class Base2 {
public:
  virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }
  virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; }
private:
  int b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:
  virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
  virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
private:
  int d1;
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
  cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
  for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
  {
    printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
    VFPTR f = vTable[i];
    f();
  }
  cout << endl;
}
int main()
{
  Derive d;
  VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
  PrintVTable(vTableb1);
  VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1)));
  PrintVTable(vTableb2);
  return 0;
}

观察下图可以看出：

多继承派生类的未重写的虚函数放在第一个继承基类部分的虚函数表中

我们通过调试还可以看到一个问题：

多继承后func1的地址不一样了

其实这个问题也很复杂，需要通过反汇编来看，这里我们不做讲解，只要了解，他是经过了封装

举一个例子，我从长沙到北京，坐的是一趟直达的高铁，而我哥们是从长沙到苏州到上海再到北京，最终都到达了目的地，只是他转了几趟车

好了，今天的分享到这里就结束了，感谢大家的支持！

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编译器
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