多态（C++）

news/2024/5/4 2:59:04/文章来源:https://blog.csdn.net/qq_68006585/article/details/129936667

多态

  • 多态的概念
    • 概念
  • 多态的定义及实现
    • 多态的构成条件
    • 虚函数
    • 虚函数的重写
      • 虚函数重写的两个例外
    • C++11override和final
    • 重载，覆盖，隐藏的对比
  • 抽象类
    • 概念
    • 接口继承和实现继承
  • 多态的原理
    • 虚函数表
    • 多态的原理
    • 动态绑定与静态绑定
  • 单继承和多继承关系中的虚函数表
    • 单继承中的虚函数表
    • 多继承中的虚函数表

多态的概念

概念

多态即多种形态，当不同对象去执行同一个行为时，会产生不同的状态

多态的定义及实现

多态的构成条件

  1. 必须通过基类的指针/引用去调用虚函数（ virtual所修饰）
  2. 被调用的函数必须是虚函数，并且派生类必须对基类的虚函数进行重写

在这里插入图片描述

class Person
{
public:virtual void Buyticket(){cout << "Person:买票-全价" << endl;}
};class Student:public Person
{
public:virtual void Buyticket(){cout << "Student:买票-半价" << endl;}
};//多态调用
void Display(Person& p)
{p.Buyticket();
}int main()
{Person pn;Display(pn);Student st;Display(st);return 0;
}

在这里插入图片描述

普通调用：和调用对象的类型有关
多态调用：和指针/引用指向的对象有关

class Person
{
public:virtual void Buyticket(){cout << "Person:买票-全价" << endl;}
};class Student:public Person
{
public:virtual void Buyticket(){cout << "Student:买票-半价" << endl;}
};//普通调用
void Display(Person p)
{p.Buyticket();
}int main()
{Person pn;Display(pn);Student st;Display(st);return 0;
}

在这里插入图片描述

虚函数

虚函数：被 virtual修饰的类成员函数称作虚函数

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

虚函数的重写

虚函数的重写：派生类中有一个和基类完全相同的虚函数，称派生类的虚函数重写了基类的虚函数

虚函数重写的两个例外

  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。也就是基类虚函数返回基类对象的指针/引用，派生类虚函数返回派生类对象的指针/引用
class Person
{
public:~Person(){cout << "~Person()" << endl;delete[] _p;}
protected:int* _p = new int[10];
};class Student :public Person
{
public:~Student(){cout << "~Student()" << endl;delete[] _s;}
protected:int* _s = new int[10];
};int main()
{Person pn;Student st;return 0;
}

在这里插入图片描述

  1. 析构函数的重写（基类与派生类析构函数名不同）
    先观察如果析构函数不设置为虚函数
class Person
{
public:~Person(){cout << "~Person()" <<endl;delete[] _p;}
protected:int* _p = new int[10];
};class Student :public Person
{
public:~Student(){cout << "~Student()" << endl;delete[] _s;}
protected:int* _s = new int[20];
};int main()
{Person pn;Student st;return 0;
}

在这里插入图片描述

运行起来似乎没有什么问题，做如下修改，结果又是如何

int main()
{Person* ptr1 = new Person;Person* ptr2 = new Student;delete ptr1;delete ptr2;return 0;
}

在这里插入图片描述

由运行结果可知，发生了内存泄漏，Student的资源并没有释放；delete的行为是：使用指针调用析构函数，由于是普通调用，函数与调用对象的类型有关，所以造成了内存泄漏；如果将函数设置为虚函数结构会怎么样呢？

class Person
{
public:virtual ~Person(){cout << "~Person()" << endl;delete[] _p;}
protected:int* _p = new int[10];
};class Student :public Person
{
public:virtual ~Student(){cout << "~Student()" << endl;delete[] _s;}
protected:int* _s = new int[20];
};

在这里插入图片描述

内存泄漏的问题完美地解决

虽然函数名不同，这里其实是构成了虚函数的重写，编译器对析构函数的名称做了处理，编译后的析构函数的名称统一处理成 destructor

  1. 子类虚函数可以不加 virtual修饰（不推荐）

C++11override和final

  1. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能被重写
  2. override：检查派生类虚函数是否重写了某类的某个虚函数，如果没有重写编译报错

重载，覆盖，隐藏的对比

在这里插入图片描述

抽象类

概念

在虚函数的后面加上=0，称这个函数为纯虚函数，包含纯虚函数的类称作抽象类，抽象类不能实例化对象；派生类继承后也不能实例化对象，只有重写纯虚函数，派生类才能实例化对象；纯虚函数规定了派生类必须重写

class Car
{
public:virtual void Drive()=0;
};int main()
{Car c;return 0;
}

在这里插入图片描述

纯虚函数不可以实例化

class Car
{
public:virtual void Drive() = 0;
};class NIO : public Car
{
public:virtual void Drive(){cout << "安全驾驶" << endl;}
};int main()
{NIO et7;et7.Drive();return 0;
}

在这里插入图片描述

接口继承和实现继承

普通函数的继承是是实现继承，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，构造多态，继承的是接口

多态的原理

虚函数表

class Base
{
public:virtual void Test(){cout << "Test()" << endl;}
private:int _a = 0;
};int main()
{Base b;cout << sizeof(b) << endl;return 0;
}

按照以往的方式计算 Base类的大小：类中成员变量只有 int类型大小四个字节，成员函数 Test不占空间，所以类的大小应该是四个字节

运行结果如下

在这里插入图片描述

运行结果和预算的结果不一样，这是怎么回事呢？难道是成员函数也要计算大小吗？接下来，通过监视一探究竟

在这里插入图片描述

原来对象类中除了成员变量之外，还有_vfptr，也就是接下来要学习的虚函数表指针，想要学习指针，就先来了解虚函数表

虚函数表：用来存放虚函数，就如上面[0]中存放的就是Test的地址；本质就是函数指针数组

在这里插入图片描述

class Car
{
public:virtual void Test1(){cout << "Car:Test1()" << endl;}virtual void Test2(){cout << "Car:Test2()" << endl;}
private:int _a = 0;
};class NIO : public Car
{
public:virtual void Test1(){cout << "NIO:Test1()" << endl;}private:int _b = 0;
};int main()
{Car c;NIO et7;return 0;
}

在这里插入图片描述

完成重写的虚函数，表函数表对应位置覆盖成重写的虚函数

多态的原理

int main()
{Car c;NIO et7;//多态调用Car* ptr = &c;ptr->Test1();ptr = &et7;ptr->Test1();//普通调用ptr = &c;ptr->Test2();ptr = &et7;ptr->Test2();return 0;
}

运行结果如下

在这里插入图片描述

普通调用由调用对象类型决定：Test2()函数不是虚函数，调用类型是Car；多态调用由指针/引用指向的对象决定：Test1()函数是虚函数，两次调用指向的对象都不同

再通过汇编进行观察

在这里插入图片描述

普通调用在编译时就确定好的（静态）；多态调用在编译时是不确定的（动态）运行之后在，根据调用对象指向的类型，在表函数表中找到对应的函数进行调用

在这里插入图片描述

动态绑定与静态绑定

  1. 静态绑定，在程序编译期间就已经确定程序的行为，也称静态多态
  2. 动态绑定，在程序运行期间，根据具体的类型确定程序具体的行为，调用具体的函数，也称动态多态

单继承和多继承关系中的虚函数表

单继承中的虚函数表

观察下列代码

class Car
{
public:virtual void test1(){cout << "Car test1()" << endl;}virtual void test2(){cout << "Car test2()" << endl;}private:int _a;
};class NIO:public Car
{
public:virtual void test1(){cout << "NIO test1()" << endl;}virtual void test3(){cout << "NIO test3()" << endl;}private:int _b;
};int main()
{Car c;NIO et7;return 0;
}

在这里插入图片描述

通过监视窗口能够发现：在派生类对象et7中重写了test1，继承了test2，但是本身的test3却没有，在内存窗口看到一个未知的地址，可以猜测是test3函数，现在就是想办法将其打印出来进行验证

上面了解到虚函数表本质是函数指针数组，接下来通过函数指针数组将虚函数表打印出来

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

通过将对象进行取址再强转 int*获取前四个字节，在类型转换 _vfptr*传递给函数进行打印

	Print_vfptr((_vfptr*)*(int*)&c);Print_vfptr((_vfptr*)*(int*)&et7);

完整代码如下

class Car
{
public:virtual void test1(){cout << "Car test1()" << endl;}virtual void test2(){cout << "Car test2()" << endl;}private:int _a;
};class NIO:public Car
{
public:virtual void test1(){cout << "NIO test1()" << endl;}virtual void test3(){cout << "NIO test3()" << endl;}private:int _b;
};typedef void(*_vfptr)();void Print_vfptr(_vfptr vft[])
{for (int i = 0; vft[i] != nullptr; i++){printf("[%d]:%p->", i, vft[i]);vft[i]();}cout << endl;
}int main()
{Car c;Print_vfptr((_vfptr*)*(int*)&c);NIO et7;Print_vfptr((_vfptr*)*(int*)&et7);return 0;
}

在这里插入图片描述

打印结果和预期一致

在这里插入图片描述

多继承中的虚函数表

class NIO
{
public:virtual void test1(){cout << "NIO test1()" << endl;}virtual void test2(){cout << "NIO test2()" << endl;}private:int _a;
};class XPENG
{
public:virtual void test1(){cout << "XPENG test1()" << endl;}virtual void test2(){cout << "XPENG test2()" << endl;}private:int _b;
};class NEA :public NIO, public XPENG
{
public:virtual void test1(){cout << "NEA test1()" << endl;}virtual void test3(){cout << "NEA test3()" << endl;}private:int _c;
};int main()
{NIO et7;XPENG p7;NEA car;return 0;
}

在这里插入图片描述

通过监视会发现与上面类似的疑问，派生类 NEA对象本身的虚函数存放在第一个基类 NIO中还是第二个基类 XPENG中呢？

接下来再次通过函数指针数组进行验证

typedef void(*_vfptr)();void Print_vfptr(_vfptr vft[])
{for (int i = 0; vft[i] != nullptr; i++){printf("[%d]:%p->", i, vft[i]);vft[i]();}cout << endl;
}class NIO
{
public:virtual void test1(){cout << "NIO test1()" << endl;}virtual void test2(){cout << "NIO test2()" << endl;}private:int _a;
};class XPENG
{
public:virtual void test1(){cout << "XPENG test1()" << endl;}virtual void test2(){cout << "XPENG test2()" << endl;}private:int _b;
};class NEA :public NIO, public XPENG
{
public:virtual void test1(){cout << "NEA test1()" << endl;}virtual void test3(){cout << "NEA test3()" << endl;}private:int _c;
};int main()
{NIO et7;Print_vfptr((_vfptr*)*(int*)&et7);XPENG p7;Print_vfptr((_vfptr*)*(int*)&p7);NEA car;//NIO虚函数表Print_vfptr((_vfptr*)*(int*)&car);XPENG* ptr = &p7;//XPENG虚函数表Print_vfptr((_vfptr*)*(int*)ptr);return 0;
}

在这里插入图片描述

打印结果显示：派生类本身的虚函数是存放在第一个基类的虚函数表中的

在这里插入图片描述

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