超級詳細講解C++中的多態(tài)
多態(tài)概念引入
多態(tài)字面意思就是多種形態(tài)。
我們先來想一想在日常生活中的多態(tài)例子：買票時，成人買票全價，如果是學(xué)生那么半價，如果是軍人，就可以優(yōu)先買票。不同的人買票會有不同的實現(xiàn)方法，這就是多態(tài)。
1、C++中多態(tài)的實現(xiàn)
1.1 多態(tài)的構(gòu)成條件
C++的多態(tài)必須滿足兩個條件：
1 必須通過基類的指針或者引用調(diào)用虛函數(shù)
2 被調(diào)用的函數(shù)是虛函數(shù)，且必須完成對基類虛函數(shù)的重寫
我們來看看具體實現(xiàn)。
class Person //成人
{
public:
virtual void fun()
{
cout << "全價票" << endl; //成人票全價
}
};
class Student : public Person //學(xué)生
{
public:
virtual void fun() //子類完成對父類虛函數(shù)的重寫
{
cout << "半價票" << endl;//學(xué)生票半價
}
};
void BuyTicket(Person* p)
{
p->fun();
}
int main()
{
Student st;
Person p;
BuyTicket(&st);//子類對象切片過去
BuyTicket(&p);//父類對象傳地址
}
調(diào)用的兩個BuyTicket() 答案是什么呢？
如果不滿足多態(tài)呢？
這說明了很重要的一點，如果滿足多態(tài)，編譯器會調(diào)用指針指向?qū)ο蟮奶摵瘮?shù)，而與指針的類型無關(guān)。如果不滿足多態(tài)，編譯器會直接根據(jù)指針的類型去調(diào)用虛函數(shù)。
1.2 虛函數(shù)
用virtual修飾的關(guān)鍵字就是虛函數(shù)。
虛函數(shù)只能是類中非靜態(tài)的成員函數(shù)。
virtual void fun() //error！ 在類外面的函數(shù)不能是虛函數(shù)
{}
1.3虛函數(shù)的重寫
子類和父類中的虛函數(shù)擁有相同的名字，返回值，參數(shù)列表，那么稱子類中的虛函數(shù)重寫了父類的虛函數(shù)，或者叫做覆蓋。
class Person
{
public:
virtual void fun()
{
cout << "Person->fun()" << endl;
}
};
class Student
{
public:
//子類重寫的虛函數(shù)可以不加virtual，因為子類繼承了父類的虛函數(shù)，
//編譯器會認為你是想要重寫虛函數(shù)。
//void fun() 可以直接這樣，也對，但不推薦。
virtual void fun()//子類重寫父類虛函數(shù)
{
cout << "Student->fun()" << endl;
}
};
虛函數(shù)重寫的兩個例外：
協(xié)變：
子類的虛函數(shù)和父類的虛函數(shù)的返回值可以不同，也能構(gòu)成重載。但需要子類的返回值是一個子類的指針或者引用，父類的返回值是一個父類的指針或者引用，且返回值代表的兩個類也成繼承關(guān)系。這個叫做協(xié)變。
class Person
{
public:
virtual Person* fun()//返回父類指針
{
cout << "Person->fun()" << endl;
return nullptr;
}
};
class Student
{
public:
//返回子類指針，雖然返回值不同，也構(gòu)成重寫
virtual Student* fun()//子類重寫父類虛函數(shù)
{
cout << "Student->fun()" << endl;
return nullptr;
}
};
也可以這樣，也是協(xié)變，
class A
{};
class B : public A
{}; //B繼承A
class Person
{
public:
virtual A* fun()//返回A類指針
{
return nullptr;
}
};
class Student
{
public:
//返回B類指針，雖然返回值不同，也構(gòu)成重寫
virtual B* fun()//子類重寫父類虛函數(shù)
{
return nullptr;
}
};
2.析構(gòu)函數(shù)的重寫
析構(gòu)函數(shù)是否需要重寫呢？
讓我們來考慮這樣一種情況，
//B繼承了A，他們的析構(gòu)函數(shù)沒有重寫。
class A
{
public:
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
~B()
{
cout << "~B()" << endl;
}
};
A* a = new B; //把B的對象切片給A類型的指針。
delete a; //調(diào)用的是誰的析構(gòu)函數(shù)呢？你希望調(diào)用誰的呢？
顯然我們希望調(diào)用B的析構(gòu)函數(shù)，因為我們希望析構(gòu)函數(shù)的調(diào)用跟指針指向的對象有關(guān)，而跟指針的類型無關(guān)。這不就是多態(tài)嗎？但是結(jié)果卻調(diào)用了A的析構(gòu)函數(shù)。
所以析構(gòu)函數(shù)要實現(xiàn)多態(tài)。But，析構(gòu)函數(shù)名字天生不一樣，怎么實現(xiàn)多態(tài)？
實際上，析構(gòu)函數(shù)被編譯器全部換成了Destructor，所以我們加上virtual就可以。
只要父類的析構(gòu)函數(shù)用virtual修飾，無論子類是否有virtual，都構(gòu)成析構(gòu)。
這也解釋了為什么子類不寫virtual可以構(gòu)成重寫，因為編譯器怕你忘記析構(gòu)。
class A
{
public:
virtual ~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
virtual ~B()
{
cout << "~B()" << endl;
}
};
1.4 C++11 override && final
C++11新增了兩個關(guān)鍵字。用final修飾的虛函數(shù)無法重寫。用final修飾的類無法被繼承。final像這個單詞的意思一樣，這就是最終的版本，不用再更新了。
class A final //A類無法被繼承
{
public:
virtual void fun() final //fun函數(shù)無法被重寫
{}
};
class B : public A //error
{
public:
virtual void fun() //error
{
cout << endl;
}
};
被override修飾的虛函數(shù)，編譯器會檢查這個虛函數(shù)是否重寫。如果沒有重寫，編譯器會報錯。
class A
{
public:
virtual void fun()
{}
};
class B : public A
{
public:
//這里我想重寫fun，但寫成了fun1，因為有override,編譯器會報錯。
virtual void fun1() override
{
cout << endl;
}
};
1.5 重載，覆蓋(重寫)，重定義（隱藏）
這里我們來理一理這三個概念。
1.重載：重載函數(shù)處在同一作用域。
函數(shù)名相同，函數(shù)列表必須不同。
2.覆蓋：必須是虛函數(shù)，且處在父類和子類中。
返回值，參數(shù)列表，函數(shù)名必須完全相同（協(xié)變除外）。
3.重定義：子類和父類的成員變量相同或者函數(shù)名相同，
子類隱藏父類的對應(yīng)成員。
子類和父類的同名函數(shù)不是重定義就是重寫。
2、抽象類
2.1 抽象類的概念
再虛函數(shù)的后面加上=0就是純虛函數(shù)，有純虛函數(shù)的類就是抽象類，也叫做接口類。抽象類無法實例化出對象。抽象類的子類也無法實例化出對象，除非重寫父類的虛函數(shù)。
class Car
{
public:
virtual void fun() = 0; //不用實現(xiàn)，只寫接口就行。
}
這并不意味著純虛函數(shù)不能寫實現(xiàn)，只是我們大部分情況下不寫。
那么虛函數(shù)有什么用呢？
1，強制子類重寫虛函數(shù)，完成多態(tài)。
2，表示某些抽象類。
2.2 接口繼承和實現(xiàn)繼承
普通函數(shù)的繼承就是實現(xiàn)繼承，虛函數(shù)的繼承就是接口繼承。子類繼承了函數(shù)的實現(xiàn)，可以直接使用。虛函數(shù)重寫后只會繼承接口，重寫實現(xiàn)。所以如果不用多態(tài)，不要把函數(shù)寫成虛函數(shù)。
純虛函數(shù)就體現(xiàn)了接口繼承。下面我們來一道題，展現(xiàn)一下接口繼承。
class A
{
public:
virtual void fun(int val = 0)//父類虛函數(shù)
{
cout <<"A->val = "<< val << endl;
}
void Fun()
{
fun();//傳過來一個子類指針調(diào)用fun()
}
};
class B: public A
{
public:
virtual void fun(int val = 1)//子類虛函數(shù)
{
cout << "B->val = " << val << endl;
}
};
B b;
A* a = &b;
a->Fun();
結(jié)果是什么呢？
B->val = 0
子類對象切片給父類指針，傳給Fun函數(shù)，滿足多態(tài)，會去調(diào)用子類的fun函數(shù)，但是子類的虛函數(shù)繼承了父類的接口，所以val是父類的0.
3、 多態(tài)的原理
3.1 虛函數(shù)表
多態(tài)是怎樣實現(xiàn)的呢？
先來一道題目，
class A
{
public:
virtual void fun()
{}
protected:
int _a;
};
sizeof(A)是多少？是4嗎？NO，NO，NO！
答案是8個字節(jié)。
我們定義一個A類型的對象a，打開調(diào)試窗口，發(fā)現(xiàn)a的內(nèi)容如下
我們發(fā)現(xiàn)除了成員變量_a以外，還多了一個指針。這個指針是不準(zhǔn)確的，實際上應(yīng)該是_vftptr(virtual function table pointer),即虛函數(shù)表指針，簡稱虛表指針。在計算類大小的時候要加上這個指針的大小。那么虛表是什么呢？虛表就是存放虛函數(shù)的地址地方。每當(dāng)我們?nèi)フ{(diào)用虛函數(shù)，編譯器就會通過虛表指針去虛表里面查找。
下面我們用一個小栗子來說明虛函數(shù)的使用會用指針。
class A
{
public:
void fun1()
{}
virtual void fun2()
{}
};
A* ap = nullptr;
ap->fun1(); //調(diào)用成功，因為這是普通函數(shù)的調(diào)用
ap->fun2(); //調(diào)用失敗，虛函數(shù)需要對指針操作，無法操作空指針。
我們先來看看繼承的虛函數(shù)表。
class A
{
public:
virtual void fun1()
{}
virtual void fun2()
{}
};
class B : public A
{
public:
virtual void fun1()//重寫父類虛函數(shù)
{}
virtual void fun3()
{}
};
A a;
B b; //我們通過調(diào)試看看對象a和b的內(nèi)存模型。
子類跟父類一樣有一個虛表指針。
子類的虛函數(shù)表一部分繼承自父類。如果重寫了虛函數(shù)，那么子類的虛函數(shù)會在虛表上覆蓋父類的虛函數(shù)。
本質(zhì)上虛函數(shù)表是一個虛函數(shù)指針數(shù)組，最后一個元素是nullptr，代表虛表的結(jié)束。
所以，如果繼承了虛函數(shù)，那么
1 子類先拷貝一份父類虛表，然后用一個虛表指針指向這個虛表。
2 如果有虛函數(shù)重寫，那么在子類的虛表上用子類的虛函數(shù)覆蓋。
3 子類新增的虛函數(shù)按其在子類中的聲明次序增加到子類虛表的最后。
下面來一道面試題：
虛函數(shù)存在哪里？
虛函數(shù)表存在哪里？
虛函數(shù)是帶有virtual的函數(shù)，虛函數(shù)表是存放虛函數(shù)地址的指針數(shù)組，虛函數(shù)表指針指向這個數(shù)組。對象中存的是虛函數(shù)指針，不是虛函數(shù)表。
虛函數(shù)和普通函數(shù)一樣存在代碼段。
那么虛函數(shù)表存在哪里呢？
我們創(chuàng)建兩個A對象，發(fā)現(xiàn)他們的虛函數(shù)指針相同，這說明他們的虛函數(shù)表屬于類，不屬于對象。所以虛函數(shù)表應(yīng)該存在共有區(qū)。
堆？堆需要動態(tài)開辟，動態(tài)銷毀，不合適。
靜態(tài)區(qū)？靜態(tài)區(qū)存放全局變量和靜態(tài)變量不合適。
所以綜合考慮，把虛函數(shù)表也存放在了代碼段。
3.2多態(tài)的原理
我們現(xiàn)在來看看多態(tài)的原理。
class Person //成人
{
public:
virtual void fun()
{
cout << "全價票" << endl; //成人票全價
}
};
class Student : public Person //學(xué)生
{
public:
virtual void fun() //子類完成對父類虛函數(shù)的重寫
{
cout << "半價票" << endl;//學(xué)生票半價
}
};
void BuyTicket(Person* p)
{
p->fun();
}
這樣就實現(xiàn)了不同對象去調(diào)用同一函數(shù)，展現(xiàn)出不同的形態(tài)。
滿足多態(tài)的函數(shù)調(diào)用是程序運行是去對象的虛表查找的，而虛表是在編譯時確定的。
普通函數(shù)的調(diào)用是編譯時就確定的。
3.3動態(tài)綁定與靜態(tài)綁定
1.靜態(tài)綁定又稱為前期綁定(早綁定)，在程序編譯期間確定了程序的行為，也稱為靜態(tài)多態(tài)，比如：函數(shù)重載
2.動態(tài)綁定又稱后期綁定(晚綁定)，是在程序運行期間，根據(jù)具體拿到的類型確定程序的具體行為，調(diào)用具體的函數(shù)，也稱為動態(tài)多態(tài)。
我們說的多態(tài)一般是指動態(tài)多態(tài)。
這里我附上一個有意思的問題：
就是在子類已經(jīng)覆蓋了父類的虛函數(shù)的情況下，為什么子類還是可以調(diào)用“被覆蓋”的父類的虛函數(shù)呢？
#include <iostream>
using namespace std;
class Base {
public:
virtual void func() {
cout << "Base func\n";
}
};
class Son : public Base {
public:
void func() {
Base::func();
cout << "Son func\n";
}
};
int main()
{
Son b;
b.func();
return 0;
}
輸出：Base func
Son func
這是C++提供的一個回避虛函數(shù)的機制
通過加作用域（正如你所嘗試的），使得函數(shù)在編譯時就綁定。
(這題來自：虛函數(shù))
4 、繼承中的虛函數(shù)表
4.1 單繼承中的虛函數(shù)表
這里DV繼承BV。
class BV
{
public:
virtual void Fun1()
{
cout << "BV->Fun1()" << endl;
}
virtual void Fun2()
{
cout << "BV->Fun2()" << endl;
}
};
class DV : public BV
{
public:
virtual void Fun1()
{
cout << "DV->Fun1()" << endl;
}
virtual void Fun3()
{
cout << "DV->Fun3()" << endl;
}
virtual void Fun4()
{
cout << "DV->Fun4()" << endl;
}
};
我們想個辦法打印虛表，
typedef void(*V_PTR)(); //typedef一下函數(shù)指針，相當(dāng)于把返回值為void型的
//函數(shù)指針定義成 V_PTR.
void PrintPFTable(V_PTR* table)//打印虛函數(shù)表
{ //因為虛表最后一個為nllptr，我們可以利用這個打印虛表。
for (size_t i = 0; table[i] != nullptr; ++i)
{
printf("table[%d] : %p->", i, table[i]);
V_PTR f = table[i];
f();
cout << endl;
}
}
BV b;
DV d;
// 取出b、d對象的前四個字節(jié)，就是虛表的指針，
//前面我們說了虛函數(shù)表本質(zhì)是一個存虛函數(shù)指針的指針數(shù)組，
//這個數(shù)組最后面放了一個nullptr
// 1.先取b的地址，強轉(zhuǎn)成一個int*的指針
// 2.再解引用取值，就取到了b對象前4個字節(jié)的值，這個值就是指向虛表的指針
// 3.再強轉(zhuǎn)成V_PTR*,這是我們打印虛表函數(shù)的類型。
// 4.虛表指針傳給PrintPFTable函數(shù)，打印虛表
// 5,有時候編譯器資源釋放不完全，我們需要清理一下，不然會打印多余結(jié)果。
PrintPFTable((V_PTR*)(*(int*)&b));
PrintPFTable((V_PTR*)(*(int*)&d));
結(jié)果如下：
4.2 多繼承中的虛函數(shù)表
我們先來看一看一道題目，
class A
{
public:
virtual void fun1()
{
cout << "A->fun1()" << endl;
}
protected:
int _a;
};
class B
{
public:
virtual void fun1()
{
cout << "B->fun1()" << endl;
}
protected:
int _b;
};
class C : public A, public B
{
public:
virtual void fun1()
{
cout << "C->fun1()" << endl;
}
protected:
int _c;
};
C c;
//sizeof(c) 是多少呢？
sizeof( c )的大小是多少呢？是16嗎？一個虛表指針，三個lnt，考慮內(nèi)存對齊后確實是16.但是結(jié)果是20.
我們來看看內(nèi)存模型。在VS下，c竟然有兩個虛指針
每個虛表里都有一個fun1函數(shù)。
所以C的內(nèi)存模型應(yīng)該是這樣的，
而且如果C自己有多余的虛函數(shù)，會按照繼承順序補在第一張?zhí)摫砗竺妗?/p>
下面還有一個問題，可以看到C::fun1在兩張?zhí)摫砩隙几采w了，但是它們的地址不一樣，是不是說在代碼段有兩段相同的C::fun1呢？
不是的。實際上兩個fun1是同一個fun1，里面放的是跳轉(zhuǎn)指令而已。C++也會不犯這個小問題。
最后，我們來打印一下多繼承的虛表。
//Derive繼承Base1和Base2
class Base1
{
public:
virtual void fun1()
{
cout << "Base1->fun1()" << endl;
}
virtual void fun2()
{
cout << "Base1->fun2()" << endl;
}
};
class Base2
{
public:
virtual void fun1()
{
cout << "Base2->fun1()" << endl;
}
virtual void fun2()
{
cout << "Base2->fun2()" << endl;
}
};
class Derive : public Base1, public Base2
{
public:
virtual void fun1()
{
cout << "Derive->fun1()" << endl;
}
virtual void fun3()
{
cout << "Derive->fun3()" << endl;
}
};
打印的細節(jié)，從Base2繼承過來的虛表指針放在第一個虛表指針后面，我們想要拿到這個指針需要往后挪一個指針加上一個int的字節(jié)，但是指針的大小跟操作系統(tǒng)的位數(shù)有關(guān)，所以我們可以用加上Base2的大小個字節(jié)來偏移。
這里注意要先強轉(zhuǎn)成char*，不然指針的加減會根據(jù)指針的類型來確定。
Derive d; PrintPFTable((V_PTR*)(*(int*)&d)); PrintPFTable((V_PTR*)(*(int*)((char*)&d+sizeof(Base2))));
Ret：
總結(jié)
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