【C++】多态

薄荷冰

发布于 2024-01-22 18:44:29

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发布于 2024-01-22 18:44:29

文章被收录于专栏：后端学习之旅

前言

在之前我讲过OOP(面向对象编程)的三大核心思想之一———多态性(polymorphism)。我们把具有继承关系的多个类型称为多态类型，因为我们能使用这些类型的“多种形式”而无需在意他们的差别。引用或指针的静态类型与动态类型不同这一事实正是C++语言支持多态性的根本所在。

其实在现实生活中很多地方就存在着许多多态事情的发生，就比如海底捞的不同种类的会员，红海会员，银海会员和黑海会员，不同的会员其实都是食客这一基类的派生类，而面对不同的会员，在执行收款这一操作时存在着不同的方案。再在比如买票这个行为，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这其实就是多态的一种。

一、多态的概念

1.1 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。

1.2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Person。Person对象买票全价，Student对象买票半价。

那么在继承中要构成多态还有两个条件：

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

二.虚函数

2.1虚函数的概念

在继承中我们讲到派生类可以继承其基类的成员，然而在遇到如上图的BuyTicket这样与类型相关的操作时派生类必须对其完成重新定义。

在C++中，基类必须将他的两种成员函数区分开来：

1.基类希望其派生类经行覆盖的函数； 2.基类希望子类直接继承而不修改的函数。

对于第一种函数，基类通常将其定义为虚函数，所以任何构造函数以外的非静态成员函数都可以是虚函数。当我们使用指针或者调用虚函数时，该调用将被动态绑定。

那么什么是虚函数呢？

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数

要注意的是关键字virtual只能出现在类内部申明语句之前而不能用于类外部的函数定义。如果把一个函数声明为虚函数，则该函数在派生类中隐式的也是虚函数。

下面我将定义一个基类和子类来具体带你理解虚函数：

    class Quote//购买书的基类
	{
	public:
		Quote() = default;//要求编译器自己生成
		Quote(const string &book,double sales_price)
			:bookNo(book),price(sales_price)
		{}
		string  isben()const//返回书名代号
		{
			return bookNo;
		}
		virtual double net_price(size_t n)const//计算书的打折后的价格
		{
			return price * n;
		}
		~Quote() = default;
	private:
		string bookNo;//书名代号
	protected:
		double price = 0.0;//原价
	};
	class Bulk_quote :public Quote//团购
	{
	public: 
		Bulk_quote() = default;
		Bulk_quote(const string& book, double p, size_t qty, double disc)
			:Quote(book,p),min_qty(qty),discount(disc)
		{}
		double net_price(size_t cnt)const
		{
			if (cnt >= min_qty)
				return cnt * (1 - discount) * price;
			else return cnt * price;
		}
	private:
		size_t min_qty = 0;		//最低数量
		double discount = 0.0;

	};

2.2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。

要注意的是虚函数的重写有两个意外：

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。（了解即可）

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;}
};

但是这样的返回要注意的是从B到A的类型转换是可以访问的。

2. 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。

2.3虚函数的调用

当我们使用基类的引用或指针调用一个虚成员函数时会执行动态绑定。因为我们直到运行时才能知道到底调用了哪个版本的虚函数，所以所有虚函数都必须有定义。通常情况下，如果我们不使用某个函数，则无须为该函数提供定义。但是我们必须为每一个虚函数都提供定义，而不管它是否被用到了，这是因为连编译器也无法确定到底会使用哪个虚函数。

对虚函数的调用可能在运行时才被解析

当某个虚函数通过指针或引用调用时，编译器产生的代码直到运行时才能确定应该调用哪个版本的函数。被调用的函数是与绑定到指针或引用上的对象的动态类型相匹配的那一个。

必须要搞清楚的一点是，动态绑定只有当我们通过指针或引用调用虚函数时才会发生。

2.4回避虚函数的机制

在某些情况下，我们希望对虚函数的调用不要进行动态绑定，而是强迫其执行虚函数的某个特定版本。使用作用域运算符可以实现这一目的，例如如下代码：

double undiscounted =baseP->Quote::net_price(42);

该代码强行调用Quote的net_price函数，而不管baseP实际指向的对象类型到底是什么。该调用将在编译时完成解析。

注意：如果一个派生类虚函数需要调用它的基类版本，但是没有使用作用域运算符，则在运行时该调用将被解析为对派生类版本自身的调用，从而导致无限递归。

2.5C++11 override 和 final

从上面可以看出， C++ 对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，可能会导致函数

名字母次序写反而无法构成重载，而这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运行时没有

得到预期结果才来 debug 会得不偿失，因此： C++11 提供了 override 和 final 两个关键字，可以帮

助用户检测是否重写。

1. final ：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

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

2. 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;}
};

2.6重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

三、抽象类

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。

四、多态的原理

4.1虚函数表

// 这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？
class Base
{
public:
 virtual void Func1()
 {
 cout << "Func1()" << endl;
 }
private:
 int _b = 1;
};

通过观察测试我们发现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，。那么派生类中这个表放了些什么呢？我们

接着往下分析

（需要声明的，该代码及解释都是在vs2013下的x86程序中，涉及的指针都是4bytes。如果要其他平台下，部分代码需要改动。比如：如果是x64程序，则需要考虑指针是8bytes问题等等）

// 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. 这里还有一个童鞋们很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？答：虚函数存在虚表，虚表存在对象中。注意上面的回答的错的。但是很多童鞋都是这样深以为然的。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

对于上面的问题五，当在vs验证时会存在一些问题，即派生类自己新增加的虚函数应该出现在第一个继承的类的虚表中但是在调试过程中通过vs的监视窗口，第一个继承的类对应的虚表中并没有发现派生类对应的新增的虚函数。其实这个函数确实进了虚表只是被隐藏了，如果对这方面还有疑惑可以看看这篇文章。

4.2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？

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调用虚函数。 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。