C++ 超详细分析多态的原理与实现

Dianne ·

更新时间:2024-11-01

· 1762 次阅读

多态的定义及实现

多态的构成条件

虚函数重写

C++11的override和final

抽象类

多态的原理

虚函数表

动态绑定与静态绑定

单继承和多继承关系的虚函数表

单继承中的虚函数表

多继承中的虚函数表

常见问题

多态的定义及实现

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。

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。

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继承了Person。Person对象买票全价，Student对象买票半价。

在继承中构成多态还有两个条件：

必须通过基类的指针或者引用调用虚函数

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。

虚函数重写

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数。

class Person{
public:
virtual void BuyTicket() {
cout << "买票-全价" << endl;
}
};

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。

注：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写（因为继承后基类的虚函数被继承下来了，在派生类依旧保持虚函数属性），但该种写法不是很规范。

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 ps;
Student st;
Func(ps);
Func(st);
return 0;
}

虚函数重写的两个例外：

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引用时，称为协变。

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; }
};

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。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同一处理成destructor

class Person{
public:
virtual ~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};
class Student : public Person{
public:
virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
int main()
{
Person* p1 = new Person;
Person* p2 = new Student;
delete p1;
delete p2;
return 0;
}

只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数，这里的delete对象调用析构函数，才能构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确调用析构函数。

C++11的override和final

从上面可以看出，C++对函数重写的要求比较严格，但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写，而这种错误在编译期间是不会报错的，但程序运行时不会得到预期结果。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。

final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写。即final一个类，这个类不能被继承。

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

override：检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有重写，编译器将会报错。

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

重载、覆盖(重写)、因此(重定义)的对比

抽象类

概念：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。

class Car 
{
public:
virtual void Drive() = 0;
};
class Benz : public Car
{
public:
virtual void Drive()
{
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
class BMW : public Car
{
public:
virtual void Drive()
{
cout << "BMW-操控" << endl;
}
};
void Test()
{
Car* pBenz = new Benz;
pBenz->Drive();
Car* pBMW = new BMW;
pBMW->Drive();
}

接口继承和实现继承

普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，可以使用函数，继承的是函数的实现。虚函数的继承是一种接口继承，派生类继承的是基类虚函数的接口，目的是为了重写，达成多态，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

多态的原理 虚函数表

class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
public:
int _b = 1;
};

sizeof(Base)是多少？

处理_b成员，还多一个_vfptr放在对象的前面（有些平台可能会放到对象的最后面，这与平台有关），对象中的这个指针叫做虚函数表指针（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，虚函数表也称虚表。

针对上面的代码做出以下改造：

1.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 Fun3()
{
cout << "Base::Func3()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Derive::unc1()" << endl;
}
private:
int _d = 2;
};
int main()
{
Base b;
Derive d;
return 0;
}

我们发现：

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的需表中存的是重写的Derive::Func1，所以虚函数的重写也叫做覆盖，覆盖就是指需表中虚函数的覆盖。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个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.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，都存在代码段，只是它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。

动态绑定与静态绑定

1.静态绑定又称为前期绑定（早绑定），在程序编译期间确定了程序的行为，也成为静态多态。比如：函数重载。

2.动态绑定又称为后期绑定（晚绑定），是在程序运行期间，根据具体拿到的类型确定程序的具体行为，调用具体的函数，也成为动态多态。

单继承和多继承关系的虚函数表 单继承中的虚函数表

使用代码打印出虚表中的函数：

取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，这个数组最后面放了一个nullptr

1.先取b的地址，强转成一个int的指针

2.再解引用取值，就取到了b对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针。

3.再强转成VFPTR，因为虚表就是一个存VFPTR类型（虚函数指针类型）的数组。

4.虚表指针传递给PrintVFT进行打印虚表。

5.注意：这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最后没有放nullptr，导致越界，这时编译器的问题。需要点目录栏的-生成-清理解决方案，再编译。

typedef void(*VFPTR)();
void PrintVFT(VFPTR vft[])
{
printf("%p\n", vft);
for (size_t i = 0; vft[i] != nullptr; ++i)
{
printf("vft[%d]:%p->", i, vft[i]);
vft[i]();
}
printf("\n");
}
int main()
{
Base b;
Derive d;
PrintVFT((VFPTR*)(*(int*)&b));
PrintVFT((VFPTR*)(*(int*)&d));
return 0;
}

int main()
{
Base bb;
int a = 0;
int* p1 = new int;
const char* p2 = "hello world";
auto pf = PrintVFT;
static int b = 1;
printf("栈帧变量：%p\n", &a);
printf("堆变量：%p\n", p1);
printf("常量区变量：%p\n", p2);
printf("函数地址变量：%p\n", pf);
printf("静态区变量：%p\n", &b);
printf("虚函数表地址：%p\n", *(int*)&bb);
return 0;
}

从以上代码也可以看出，虚函数表地址与常量区变量地址非常相近，它也存在常量区。

多继承中的虚函数表

class Base1 {
public:
virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; }
private:
int b1;
};
class Base2 {
public:
virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; }
private:
int b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:
virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }
virtual void func3() { cout << "Base2::func3" << endl; }
private:
int d1;
};
int main()
{
Derive d;
PrintVFT((VFPTR*)(*(int*)&d));
PrintVFT((VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1))));
Base1* p1 = &d;
p1->func1();
Base2* p2 = &d;
p2->func1();
return 0;
}