c++的学习之路:23、多态(2)

简介: c++的学习之路:23、多态(2)

一、抽象类

1、 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,如下方代码所示,说实在的感觉没啥大用,不容重写了。

#include <iostream>
using namespace std;
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();
}
int main()
{
  Test();
}

2、接口继承和实现继承

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。

二、多态的原理

1、虚函数表

如下方代码所示我们发现b对象是8bytes,除了_b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,我有创建了一个b对象,如下方图二就是可以看出他的虚表。

class Base
{
public:
  virtual void Func1()
  {
    cout << "Func1()" << endl;
  }
private:
  int _b = 1;
};
void Test2()
{
  cout << sizeof(Base) << endl;
}

  好了,可以变个型了,如下方代码和下方截图就可以得出

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

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;
}


 

2、动态绑定与静态绑定

1、静态绑定又称为前期绑定(早绑定),在程序编译期间确定了程序的行为,也称为静态多态,比如:函数重载

2、动态绑定又称后期绑定(晚绑定),是在程序运行期间,根据具体拿到的类型确定程序的具体行为,调用具体的函数,也称为动态多态。

3、之前文章的买票的代码很好的解释了什么是静态(编译器)绑定和动态(运行时)绑定。

三、单继承和多继承关系的虚函数表

1、单继承中的虚函数表

如下方代码所示,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。

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 b;
  Derive d;
  return 0;
}

如下方代码就是利用函数进行打印虚表的地址,结果如图,下面说一下思路取出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。

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[])
{
  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;
  VFPTR * vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
  PrintVTable(vTableb);
  VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
  PrintVTable(vTabled);
  return 0;
}

2、多继承中的虚函数表

在多继承的情境下,每个基类都有自己的虚函数表。如果一个类从多个基类继承,并且这些基类中有虚函数,那么这个类就会包含多个虚函数表指针,每个指针指向一个基类的虚函数表。这意味着,当一个派生类的对象调用一个虚函数时,它会根据对象的实际类型和调用的虚函数来确定使用哪个虚函数表。

值得注意的是,虽然每个基类都有自己的虚函数表,但派生类中的虚函数重写是共享的。也就是说,如果一个派生类重写了某个基类中的虚函数,那么这个重写后的函数将出现在所有相关基类的虚函数表中。这样,无论通过哪个基类指针或引用访问派生类对象,调用这个虚函数时都会执行派生类中的实现。

总的来说,多继承中的虚函数表是C++实现动态多态性的重要机制。每个基类都有自己的虚函数表,而派生类则通过继承这些基类来共享和重写虚函数。这种机制使得我们可以在运行时根据对象的实际类型来确定其行为,从而实现更灵活和可扩展的程序设计。

四、思维导图


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