【C++练级之路】【Lv.13】多态(你真的了解虚函数和虚函数表吗?)

news/2024/5/25 10:24:52/文章来源:https://blog.csdn.net/2301_79188764/article/details/136662359



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文章目录

  • 一、虚函数与重写
    • 1.1 虚函数
    • 1.2 虚函数的重写
    • 1.3 重写的特例
    • 1.4 final和override(C++11)
    • 1.5 重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)的对比
  • 二、多态的概念及定义
    • 2.1 多态的概念
    • 2.2 多态的定义
  • 三、抽象类
    • 3.1 纯虚函数
    • 3.2 抽象类的概念
    • 3.3 接口继承与实现继承
  • 四、多态的原理
    • 4.1 虚函数表
    • 4.2 虚函数表的打印
    • 4.3 单继承下的虚函数表
      • 4.3.1 一对一
      • 4.3.2 多对一
      • 4.3.3 一对多
    • 4.4 多继承下的虚函数表
    • 4.5 多态的原理
    • 4.6 静态绑定与动态绑定
    • 4.7 菱形虚拟继承下的虚函数表

一、虚函数与重写

1.1 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;}
};

1.2 虚函数的重写

虚函数的重写,又称覆盖。派生类有一个函数名、参数、返回值与基类虚函数相同的虚函数,则称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。

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; }
}

同时,虚函数重写,其意义在于继承函数接口,重写函数定义

1.3 重写的特例

  1. 派生类要重写的虚函数,可以不用加virtual关键字(不推荐使用)
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; }
}

原因:由于继承,派生类的同名函数继承了基类虚函数的特性。

  1. 协变
    派生类和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引用,派生类返回派生类对象的指针或引用。
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
    如果基类的析构函数为虚函数,那么只要派生类的析构函数定义,便构成重写。
class Person
{
public:virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};class Student : public Person
{
public:virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};

原因:编译器此时做了特殊处理,将基类和派生类的析构函数名,都改为destructor,因此构成重写。

那么为什么要这么处理呢?请看下面代码:

int main()
{Person* p1 = new Person;Person* p2 = new Student;delete p1;delete p2;return 0;
}

原因:只有这样处理,构成多态,才能正确调用各自的析构函数。

1.4 final和override(C++11)

  1. final:可以修饰变量、函数和类。
    对于变量,确保初始化后不能被修改
    对于函数,确保不能被子类重写
    对于类,确保不能被继承
class Car
{
public:virtual void Drive() final {}
};class Benz :public Car
{
public:virtual void Drive() {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};

加上final,以上代码会编译报错。

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

1.5 重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)的对比

二、多态的概念及定义

2.1 多态的概念

多态,顾名思义,即多种形态。具体来说,就是不同对象执行同一行为而产生不同的结果

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。

2.2 多态的定义

多态,是在不同继承关系的类对象,去调用同一函数,产生不同的行为

比如:Student继承了Person。Person对象买票全价,Student对象买票半价。

构成多态需要两个条件:

  1. 通过父类的指针或引用调用
  2. 被调用的必须是虚函数,并且虚函数必须重写

三、抽象类

3.1 纯虚函数

在虚函数的后面写上 =0 ,则这个函数为纯虚函数。

class Car
{
public:virtual void Drive() = 0;
};

3.2 抽象类的概念

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

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();
}

意义: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。

3.3 接口继承与实现继承

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。

综上所述,虚函数就是为多态而生的,如果不实现多态,不要把函数定义成虚函数。

四、多态的原理

4.1 虚函数表

先来看一道题:32位平台下,sizeof(Base)是多少?

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

正确答案是8byte!是不是很诧异?

其实,Base类里面还有一个隐藏的指针,称为虚函数表指针(简称虚表指针)。


经过观察发现,其类型为void**,并且(与平台有关,vs平台下)位于对象的最上方。

而且,这个指针指向了一张表,称为虚函数表(简称虚表)。虚函数表,是一个函数指针数组,里面存储了该类中虚函数的指针。

4.2 虚函数表的打印

由于监视窗口会隐藏一些真实的信息,并且观察起来不太直观和方便,所以我们写一个函数专门打印虚函数表,以便观察和检验。

typedef void(*VFT_PTR)();void PrintVFTable(VFT_PTR* table)
{for (int i = 0; table[i] != nullptr; ++i){printf("[%d]: %p-> ", i, table[i]);VFT_PTR f = table[i];f();}cout << endl;
}

细节:

  1. 由于函数指针不太直观,先typedef重命名一下
  2. 传参传入二级指针,也就是虚表指针
  3. 这里利用一个性质:虚函数表以nullptr结尾,以作标识(vs平台)

至于如何取出虚表指针,这也是需要一定的技巧。先给出下面分析要用的main函数

int main()
{Base b;Derive d;PrintVFTable(*(VFT_PTR**)&b);PrintVFTable(*(VFT_PTR**)&d);return 0;
}

细节:

  1. 利用性质:虚表指针在对象的开头(vs平台)
  2. 取出对象地址,再强转为VFT_PTR**,这样解引用就可以直接获取虚表指针大小的内容

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。

4.3 单继承下的虚函数表

4.3.1 一对一

class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Base::Func1()" << endl;}
private:int _b = 1;
};class Derive : public Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Derive::Func1()" << endl;}
private:int _d = 2;
};

运行结果:

4.3.2 多对一

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

运行结果:

4.3.3 一对多

class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Base::Func1()" << endl;}
private:int _b = 1;
};class Derive : public Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Derive::Func1()" << endl;}virtual void Func4(){cout << "Derive::Func4()" << endl;}
private:int _d = 2;
};

运行结果:


综上三种情况:

  1. 基类的虚函数表,(按照声明顺序)存储基类中的虚函数指针。
  2. 派生类的虚函数表,先将基类的虚函数表拷贝过来,再对被重写的虚函数覆盖为派生类的虚函数,最后在末尾加上派生类新增的虚函数。

这里也体现了为什么重写又称覆盖,重写是语法层的叫法,覆盖是原理层的叫法

4.4 多继承下的虚函数表

那么,有了上面单继承下的虚函数表的基础,我们再来看看多继承虚函数表有哪些变化吧。

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;
};

我们先来看看监视窗口:

我们可以发现,多继承下的派生类对象,将两个基类的虚表都继承了过来,所以后续打印时要注意打印两份虚表。

这里需要找到派生类对象中两个虚表指针的位置,可以用到切片的技巧,实现指针自动定位。

int main()
{Base1 b1;Base2 b2;Derive d;Base1* p1 = &d;Base2* p2 = &d;PrintVFTable(*(VFT_PTR**)&b1);PrintVFTable(*(VFT_PTR**)&b2);PrintVFTable(*(VFT_PTR**)p1);PrintVFTable(*(VFT_PTR**)p2);return 0;
}

运行结果:

结论:

  1. 派生类分别将各个基类的虚表拷贝过来,再对被重写的虚函数进行覆盖
  2. 唯一不同的,是派生类新增的虚函数,是放在第一个继承的基类部分虚表的最后。

4.5 多态的原理

讲了这么多虚函数表的内容,所以这跟多态的原理有什么关系呢?我们再来回看一开始这张多态调用分析图:

  1. 为什么要使用父类的指针或引用来调用?因为子类的虚表存储在继承的父类部分,这样才能统一调用父类子类各自的虚表。

  2. 为什么被调用的虚函数必须重写?因为这是一种接口继承,也是你要实现多态的根本目的。在重写了虚函数的实现后,调用时在父类子类各自的虚表查找各自不同实现的虚函数,才能构成多态。

4.6 静态绑定与动态绑定

  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。

所以,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。

4.7 菱形虚拟继承下的虚函数表

这里已经属于考试不考,实际中不常用的范围了,有兴趣可以看看~

class A
{
public:virtual void func1(){}int _a;
};class B :virtual public A
{
public:virtual void func1(){}virtual void func2(){}int _b;
};class C :virtual public A
{
public:virtual void func1(){}virtual void func3(){}int _c;
};class D :public B, public C
{
public:virtual void func1(){}virtual void func4(){}int _d;
};int main()
{D d;d._b = 1;d._c = 2;d._d = 3;d._a = 4;return 0;
}

虚表(虚函数表)存储虚函数地址

虚基表存储偏移量


细节:

  1. D类中必须重写func1,避免B和C类多重继承时重写的歧义性
  2. 虚拟继承中,重写的func1位于A部分虚表,而B和C类中未重写的虚函数,分别位于B和C部分的虚表
  3. D类中新增的虚函数,放在第一个继承类部分的虚表(即B部分虚表)
  4. 虚基表中(总共两个位置),第一位置记录距离虚表指针的偏移量,第二位置记录距离A部分的偏移量

实际中我们不建议设计出菱形继承及菱形虚拟继承,一方面太复杂容易出问题,另一方面这样的模型,访问基类成员有一定得性能损耗。


真诚点赞,手有余香

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