C++雾中风景4:多态引出的困惑,对象的拷贝?

C++作为一门面向对象的语言,自然具备了面向对象的三大特征:封装,继承,多态。在学习多态性质的过程中,发现了C++与其他语言很大的区别(坑?)。在C++中的=操作符的使用与C++呈现的内存模型似乎并不是我所习惯的模式,在拷贝与引用两个不同操作之间摇摆,还是很容易写出存在问题的代码,所以也就引出了今天这篇文章,我们来聊聊=操作符背后的故事。

1.有些奇怪的多态

来,先上代码,我们从两段要表述多态性质的代码来看看,奇怪在什么地方。

class bird {
public:
    virtual void fly() {
        cout << "I can fly." << endl;
    }
};

class penguin:public bird {
public:
    void fly() {
        cout << "I can't fly." << endl;
    }
}; 

上面是两个继承关系的类定义。penguin(企鹅)类继承了bird类。在bird类之中fly()函数是一个virtual函数,它可以被penguin覆盖。我们看看正确的多态代码应该怎么编写:

int main() {
    bird* b1;
    penguin p; 
    
    b1 = &p;
    b1->fly();   //打印出:"I can't fly." 
}

编译器通过指针的内容,而不是它的类型,来判断应该调用的函数。因此,由于 penguin的对象的地址存储在bird指针中,所以会调用对应的fly()函数。 所以每个bird的子类都可以一个函数fly()的独立实现。这就是多态的使用方式。可以有多个不同的子类,都带有同一个名称但具有不同实现的函数。

啊哈,这一些看起来都很完美。但是熟悉JavaPython的程序员应该会和我一样写出类似于下面的代码吧:

int main() {
    penguin p;
    bird b = p; 
    b.fly(); //打印出:"I can fly."    
}

FxxK,这还是不是我熟悉的多态?为什么输出的内容和我想象的不一样。不行,我得再试一试其他方法。

int main() {
    penguin p;
    ((bird)p).fly(); //同样是打印出:"I can fly."    
}

2.出了什么问题呢?

好吧,上面两段代码我想会让很多JavaPython的程序员深感困惑,看起来C++和我们熟悉的语言想去甚远。其实,这就回到我们今天要聊的主题,接下来我们一一来分析上两段代码:

int main() {
    penguin p;
    bird b = p; 
    b.fly(); //打印出:"I can fly."    
}

其实这段代码最核心的点是弄明白bird b = p语句中的=操作符真正代表的含义。

为了解释这个=操作符,我们继续看下面这段代码。

int main() {
    penguin p;
    bird &b = p; 
    b.fly(); //打印出:"I can’t fly."    
}

有木有很神奇,让我们困惑的问题迎刃而解,只不过添加了一个&操作符。 在C++之中,= 操作符代表一个拷贝

  • bird b = p 代表b是一个bird对象,通过p拷贝,重新生成一个新的bird对象。所以这是一个拷贝操作,拷贝的是一个对象。
  • bird &b = p 代表b是一个bird对象的引用,通过p的地址拷贝,重新生成一个新的bird对象的引用。所以这也是一个拷贝操作,拷贝的是一个对象引用。所以通过这个引用,动态调用到p对象真正的函数。

好了,解释完上一段代码之后,我们继续看第二段代码。

int main() {
    penguin p;
    ((bird)p).fly(); //同样是打印出:"I can fly."    
}

这里为什么我们强制类型转换之后,还是没法输出我们想要的结果呢?那是因为

除了指针与引用类型,C++编译器在编译阶段通过类型静态确定调用函数的地址。 通过这句话,我们也不难理解上一段代码输出的结果,所以我们要更好的使用多态,一定要使用好指针和引用。

3.其他语言的困惑的解析

  • Java 全面放弃了指针与对象拷贝的操作,所以Java之中的=全都是拷贝的对象的引用。也就是我们说的的浅拷贝。(对象拷贝是深拷贝,因为生成新的对象,和原对象不使用同样的内存空间).
  • Python 同Java一般,都是对象引用。唯一不同的是,Python是动态语言,在实现多态的时候,依赖更多是鸭子类型而不是类原生的继承关系了。
  • Golang 和Python相同,依赖鸭子类型。

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