C++中的多态

目录

多态的定义

多态构成的条件

析构函数的重写

抽象类

多态的作用

多态的原理

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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，产生了不同的行为。

多态构成的条件

1、必须通过基类的指针或者引用调用虚函数。注意：对象不行。

2、被调用的函数必须是虚函数，且派生类的虚函数必须对基类的虚函数进行重写，注意：基类的的虚函数必须得要有virtual修饰，派生类可以不用virtual修饰，但是不建议。

重载、重定义与重写三者的区别。

这三个定义很容易混淆。

重载的条件

1、两个函数在同一作用域

2、函数名相同、参数不同

重定义的条件

1、两个函数在基类和派生类各自的作用域类

2、只需要函数名相同

3、两个基类的和派生类的同名函数不构成重写就是重定义

重写的条件

1、基类的函数必须是virtual修饰

2、重写函数必须由相同的类型、名称和参数列表（缺省值可以不同）

这个体现出了接口的继承，一旦构成多态缺省值取决于基类

参考下面这篇文章

C++继承中重载、重写、重定义的区别： - A-祥子 - 博客园 (cnblogs.com)

class Person {
public:
	virtual void Print()//虚函数
	{
		cout << "我是基类" << endl;
	}
};

class Student:public Person {
public:
	virtual void Print()//重写
	{
		cout << "我是派生类" << endl;
	}
};
void fuc(Person p)
{
	p.Print();
}
int main()
{
    Student s;
    fuc(s);//不构成多态，直接传的对象
	Person* p = new Student();//基类的指针指向派生类的对象
	p->Print();//构成多态
	return 0;
}

先将Print函数进行重写，fuc函数传参时不构成多态，不满足多态的条件中的必须是基类的指针或者引用去调用虚函数。而下面的基类的指针指向派生类的对象，此时构成了多态。 

析构函数的重写

这个比较特殊

先举个例子

class Person {
public:
	
	~Person()
	{
		cout << "~Person()" << endl;
	}
};

class Student:public Person {
public:
	
	~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
	}
};
int main()
{
	Person* p = new Student();//基类的指针指向派生类的对象
	delete p;
	return 0;
}

发现只调用了Person的析构函数，没有调用Student的析构函数，很显然，存在内存泄漏的危险。

原因很简单，因为p是基类的指针，释放的时候当然调用他自己的析构函数。如果是Student类型的指针，释放时当然会调用Student类型的析构，而且还会自动调用基类的析构函数。

那么现在的问题是，之前构成的多态岂不是会造成内存泄漏？

这个问题其实析构函数也可以重写，虽然不同名，但是编译器统一处理成destructor。

class Person {
public:
	
	virtual ~Person()//将析构函数也变成虚函数
	{
		cout << "~Person()" << endl;
	}
};

class Student:public Person {
public:
	
	virtual ~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
	

此时再次运行就不会存在内存泄漏了。

 

抽象类

纯虚函数

虚函数不给函数体，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

class Person {
public:
	virtual void func() = 0;//纯虚函数
};

class Student:public Person {
public:
};
int main()
{
	Person* p = new Student();//报错
	p->func();
	delete p;
	return 0;
}

 

纯虚函数的作用

1、强制派生类完成重写

2、体现出接口的继承

虚函数的继承就是一种接口继承，派生类继承的是虚函数的接口，目的是为了重写，达成多态。

看一个例子

class Person {
public:
	virtual void func(int val = 1)
	{
		cout << "Person " << val<func();
	delete p;
	return 0;
}

上面代码最终输出的是 Student 1，而不是Student 0，充分func函数是把整个接口给继承过来了，但是呢，并不继承函数体。

所以，如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数

多态的作用

接口重用！！！

相同的接口实现不同的方法，有点和函数重载、模板相似（静态多态），我们现在所说的多态是动态的多态，举个例子，IO设备，通过系统的接口找到他们自己的方法（驱动），而在我们用户层，只需要用一个接口就可以对不同的设备进行操作，非常方便，其实就是多态的思想（Linux系统层面是用C写的，没有多态，其实是用的函数指针）。既然这样有好处，很方便，C++就引入多态。

C++多态的两种形式 - 云+社区 - 腾讯云 (tencent.com)

多态的原理

虚函数表指针

class Person {
public:
	virtual void func()
	{}
private:
	int _num = 0;
};
int main()
{
	Person p;
	cout << sizeof(p) << endl;//输出8
	return 0;
}

可以看到大小为8，原因是有一个虚函数表指针_vfptr

虚函数表是一个指针数组，里面存着虚函数的地址，而虚函数表指针 _vfptr就是指向这个指针数组

虚函数表里的最后一个元素为nullptr，这样就可以知道虚函数表里有几个虚函数地址。

class Person {
public:
	virtual void func1()
	{}
	virtual void func2()
	{}
	void func3()
	{}
private:
	int _num = 0;
};

class Student:public Person {
public:
	virtual void func2()
	{}
};
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	return 0;
}

func2被重写了

可以看到func2的地址发生了变化，由于没有重写func1，func1的地址直接继承过来了，所以func1的地址是不变的，func3不是虚函数，所以不再虚函数表里面。

所以说，多态的原理就是，在运行过程中找到指向对象的虚表中查看需要调用的虚函数的地址，并进行调用。 

vs下的调试窗口会屏蔽掉派生类自己的虚函数的地址

例如

class Person {
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "func1()" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "func2()" << endl;
	}
	void func3()
	{}
private:
	int _num = 0;
};

class Student:public Person {
public:

	virtual void func2()
	{
		cout << "func2()" << endl;
	}
	virtual void func4()//派生类自己的虚函数
	{
		cout << "func4()" << endl;
	}
};

注意：

如果基类有虚函数，派生类不会生成自己的虚表，会继承基类的虚表，如果基类没有虚函数，派生类有，派生类自己生成虚表。

这里派生类的虚表只出现两个虚函数地址，但是实际上虚表里面应该存储三个虚函数地址，即派生类自己的虚函数地址监视窗口不显示。

打印虚表内虚函数地址的函数

typedef void(*VFPTR)();//函数指针
void PrintVfptr(VFPTR* vfptr)
{
	int index = 0;
	while (vfptr[index])
	{
		printf("vfptr[%d] = %p -> ", index, vfptr[index]);
		vfptr[index]();
		index++;
	}
}
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	PrintVfptr((VFPTR*)(*(int*)&p));//取出前四个字节并强转成指向指针数组的指针，注意是二级指针，且类型是函数指针类型
	cout << endl;
	PrintVfptr((VFPTR*)(*(int*)&s));
	return 0;
}

在vs下，虚函数表的指针在对象的地址空间的前四个字节。只需要取出这前四个字节，然后进行类型转换。

可以看到，其实虚函数表中有func4的地址。

派生类的大小

派生类的大小如何计算呢？

派生类的大小 = 基类的大小 + 自己本身的大小。

注意注意：这里是分别单独计算，然后直接求和，单独计算的时候需要考虑内存对齐，求和之后不用考虑对齐。

举个例子：

class Person {
public:
	virtual void func1()
	{}
	virtual void func2()
	{}
	void func3()
	{}
private:
	char_num = 0;
};

class Student:public Person {
public:
	virtual void func2()
	{}
	virtual void func4()
	{}
private:
	int c;
};

Person的大小为8字节，包括虚函数表指针4字节+char类型一个字节，最终内存对齐一下就是8字节，关于内存对齐的知识看这篇文章

看了这篇自定义数据类型讲解还不会，可以放下你手中的键盘了k

而单独的Student的大小为 int类型4个字节，此时千万别把虚函数表指针再算一次，上面已经说过一次了，因为基类有虚函数，派生类不用自己生成虚函数表指针，所以大小就为4

总的大小就为8+4 = 12字节。