C++：多态的内容和底层原理

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文章目录

  • 多态的概念
  • 多态的定义
    • 虚函数
    • “`override“`和“`final“`关键字
    • 重载、覆盖、隐藏
  • 抽象类
    • 抽象类的定义
    • 接口继承和实现继承
  • 多态的原理解析
    • 虚函数表

本篇总结C++中多态的基本内容和原理实现和一些边角内容

多态的概念

首先要清楚多态是什么，是用来做什么的？

多态从字面意思来讲，就是多种形态，完成一个事情，不同的人去完成会有不同的结果和状态，这样的情况就叫做多态

多态的定义

多态是不同继承关系的类对象，在调用一个函数的时候会产生不同的行为，比如同样是买票这个操作，普通人就是全票，学生就是半票，本篇的例子也会从这个例子出发，进行多态中具体的距离和深层次的理解

构成多态的条件：

  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，并且派生类要对基类的虚函数进行重写
#include 
using namespace std;

class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout  "普通票全价"  endl;
	}
};

class Student :public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout  "学生票半价"  endl;
	}
};

void func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}

int main()
{
	Person p;
	Student s;
	func(p);
	func(s);
}

上面是对多态的最初始定义，也是很基础的定义，从中可以看出多态的基本用法和实现的功能

虚函数

虚函数的定义：

虚函数通俗来说，就是被virtual修饰的类成员函数就是虚函数

虚函数的重写：

虚函数的重写就是，当派生类中有一个和基类完全相同的虚函数，那么就称之为子类的虚函数重写了基类的虚函数，虽然子类可以不加virtual，但是并不标准，最好加上

虚函数的例外：

  1. 协变
    协变就是，派生类重写基类虚函数的时候，与基类虚函数返回值类型不同，比如基类的虚函数返回的是基类成员的指针和引用，派生类返回的是指针和引用的时候，也算是虚函数重写，这种情况就叫做协变

  2. 析构函数重写
    如果基类的析构函数是虚函数，那么派生类的析构函数默认会和基类的析构函数构成重写，虽然名字和函数名不同，但是依旧是，这是因为编译器进行编译后，把析构函数的名称统一处理为destructor，这样也算是重写

class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout  "普通票全价"  endl;
	}
	virtual Person* f()
	{
		return new Person;
	}
	virtual ~Person()
	{
		cout  "~Person()"  endl;
	}
};

class Student :public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout  "学生票半价"  endl;
	}
	virtual Student* f()
	{
		return new Student;
	}
	virtual ~Student()
	{
		cout  "~Student()"  endl;
	}
};

void func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}

override和final关键字

C++11中，引入了两个关键字，这两个关键字就是用来辅助进行虚函数多态的多种复杂情形，避免出现疏忽而导致错误的情况出现：

final：修饰虚函数，表示这个虚函数不能被重写了

class Student :public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket() final
	{
		cout  "学生票半价"  endl;
	}
	virtual Student* f()
	{
		return new Student;
	}
	virtual ~Student()
	{
		cout  "~Student()"  endl;
	}
};

class Child :public Student
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout  "小孩免票"  endl;
	}
};


override：检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有就报错

class Person
{
public:
	/*virtual*/ void BuyTicket()
	{
		cout  "普通票全价"  endl;
	}
	virtual Person* f()
	{
		return new Person;
	}
	virtual ~Person()
	{
		cout  "~Person()"  endl;
	}
};

class Student :public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket() override
	{
		cout  "学生票半价"  endl;
	}
	virtual Student* f()
	{
		return new Student;
	}
	virtual ~Student()
	{
		cout  "~Student()"  endl;
	}
};

class Child :public Student
{
public:
	virtual void BuyTicket() override
	{
		cout  "小孩免票"  endl;
	}
};

void func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}


多态在使用的过程中是十分复杂的，因此使用时需要注意逻辑能否清楚的表示，可能只是稍微变了一点点内容，就使得整个意思全然变换，下面对比一下继承多态中的一些概念：

重载、覆盖、隐藏

  1. 重载指的是，函数名在一个作用域，并且函数名相同，参数不同的情况，那么这两个函数就构成了函数重载，编译器在进行处理的时候会根据参数形成不同的函数表，由此来对应不同的情况
  2. 重写指的是，两个函数在基类和派生类的作用域下，前提是函数名、参数、返回值都一样的情况下，如果是虚函数，那么就构成了重写，其中子类可以不写virtual，可以理解为虚函数的属性被从基类中继承了下来，但是并不推荐这样写，其中要注意特殊情况，比如协变和析构函数的情况
  3. 隐藏指的是，两个函数在基类和派生类的作用域下，当函数名相同的时候，如果不符合重写的定义那么就是重定义了，比如在继承中见到的很多种情况

抽象类

抽象类的定义

在虚函数后面写上等于0，就说明这个函数是纯虚函数，有纯虚函数的类就叫做抽象类，抽象类的特点是不可以实例化出一个具体的对象，而派生类被继承后也不能实例化对象，只有在重写了虚函数的前提下，才能实例化对象

纯虚函数体现了派生类要重写的这个规则，同时也体现出了接口继承的概念

接口继承和实现继承

  1. 接口继承（Interface Inheritance）是指服务器托管网从一个纯虚基类（pure virtual base class）继承而来，目的是为了实现一个类的接口，使得派生类必须实现该接口中定义的所有纯虚函数。接口继承的主要目的是实现类的接口复用，它并不关心实现细节。在接口继承中，派生类只需要实现基类中定义的纯虚函数，不需要关心基类中其他的数据和函数
class Shape 
{
public:
    virtual void draw() = 0; // 纯虚函数
};

class Circle : public Shape 
{
public:
    void draw() override 
    {
        // 实现圆形的绘制
    }
};

class Square : public Shape 
{
public:
    void draw() override 
    {
        // 实现正方形的绘制
    }
};
  1. 实现继承（Implementation Inheritance）是指从一个普通的基类（非纯虚基类）继承而来，目的是为了实现基类中已有的函数或数据。实现继承的主要目的是实现代码复用，它关心基类中的实现细节。在实现继承中，派生类会继承基类中所有的成员函数和数据成员，并且可以重写这些函数以改变它们的行为
class Person 
{
public:
    void sayHello() 
    {
        std::cout  "Hello, I am a person."  std::endl;
    }
};

class Student : public Person 
{
public:
    void sayHello() override 
    {
        std::cout  "Hello, I am a student."  std::endl;
    }
};

int main() 
{
    Student s;
    s.sayHello(); // 输出: "Hello, I am a student."
    return 0;
}

接口继承是指派生类只继承了基类的接口（也就是纯虚函数），而没有继承基类的实现。这种方式使得派生类必须实现基类中的所有纯虚函数，从而使得派生类和基类的实现是分离的，实现了接口和实现的分离。这种继承方式常常用于实现抽象类和接口，强制要求派生类实现接口中的所有函数

实现继承是指派生类继承了基类的接口和实现，包括数据成员和函数实现。这种方式使得派生类可以复用基类的代码，从而减少了代码的重复编写，同时也保证了派生类和基类的一致性。但是，这也意味着派生类和基类的实现是紧密耦合的，服务器托管网基类的修改可能会影响到派生类的行为

多态的原理解析

虚函数表

对于一个使用了多态的类，创建一个对象看其内部的内容：


会发现这当中和预想的结果并不一样，原因就在于这当中多了一个数组，这个指针数组实际上是叫做虚函数表指针数组，严格意义来说，这个数组中存放的是虚函数的函数地址，虚函数表也叫做虚表，那么问题来了：为什么要这么设计呢？

下面来做实验，对前面的类进行改造：

在Person类中加一个虚函数和一个普通函数，而在Student类中只重写一个虚函数：

class Person
{
public:
	// Person类中有两个虚函数和一个普通函数
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout  "普通票全价"  endl;
	}
	virtual void func1()
	{
		cout  "void func1()"  endl;
	}
	void func2()
	{
		cout  "void func2()"  endl;
	}
private:
	int _person; // 定义一个变量
};

class Student :public Person
{
	// 继承类中只重写一个虚函数，剩下的不进行重写
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout  "学生票半价"  endl;
	}
private:
	int _student; // 定义一个变量
};

void func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}

int main()
{
	Person p;
	Student s;
	func(p);
	func(s);
}

实验结果如下：


对实验结果进行分析得出下面的结论：

  1. 派生类的Student对象中也有一个虚表指针，其中是由两个部分组成的，一个是父类成员和自己的成员，虚表指针中也是存在的一部分是自己的成员
  2. 在基类和派生类中的虚表地址是不一样的，但是在虚表的具体内部中会发现，有一个函数指针地址是一样的，还有一个不一样，那么说明在Student类中重写的函数发生了改变，因此虚函数的重写才叫做覆盖，覆盖指的就是虚表中对于虚函数的覆盖
  3. 对于虚表内的内容，只有被继承下来的虚函数才会放到虚表中，其余函数不会放入虚表中
  4. 虚函数表本质上就是一个存放虚函数指针的指针数组，这与一开始的结论是一样的

虚函数表的生成过程：

  1. 基类中的虚表拷贝到派生类的虚表中
  2. 如果派生类中重写了虚表的某个函数，那么就进行覆盖的过程
  3. 派生类自己新有的虚函数按照在类内的次序放到派生类虚表的最后

虚函数和虚表的存储位置：

虚函数存放在虚表，虚表存放在对象中，这样的回答是错误的！

虚表中存的是虚函数的指针，并不是虚函数，虚函数和普通的函数是一样的，都是存放在代码段中，只是将它的指针放到了虚表中，而在对象中存放的是虚表的指针，也不是虚表，虚表在vs下也是存放在代码段的位置中

多态的调用原理：

在知道了虚表的存在和原理后，其实可以理解前面的一些内容了

当指向的对象是Person类的时候，此时会在Person类的虚表中找到对应的函数并进行调用，当对象是Student类的时候，原理相同，借助这个原理就实现了多态，用不同的对象去运行会产生不同的结果，而多态的函数调用也不是直接确认的，而是在运行的过程中，在对象的内部自动取识别，去获取的

动态绑定和静态绑定

静态绑定也叫做前期绑定或者是早绑定：在程序编译期间就确定了程序的行为，也叫做静态多态，比如说函数重载就是比较典型的例子

动态绑定也叫做后期绑定或者是晚绑定：在程序运行期间，根据具体拿到的类型来确定程序的具体行为和调用的具体函数，比如说动态多态就是这样的例子

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