C++的多态与虚函数你了解吗

Maren ·

更新时间:2024-11-01

· 1246 次阅读

多态性

虚函数

总结

多态性

多态性是面向对象程序设计的关键技术之一，若程序设计语言不支持多态性，不能称为面向对象的语言，利用多态性技术，可以调用同一个函数名的函数，实现完全不同的功能

在C++中有两种多态性：

编译时的多态

通过函数的重载和运算符的重载来实现的

运行时的多态性

运行时的多态性是指在程序执行前，无法根据函数名和参数来确定该调用哪一个函数，必须在程序执行过程中，根据执行的具体情况来动态地确定；它是通过类继承关系public和虚函数来实现的，目的也是建立一种通用的程序；通用性是程序追求的主要目标之一

通过引用或指针调用时，才可以达到运行时的多态

虚函数

虚函数是一个类的成员函数，定义格式如下：

virtual 返回类型函数名（参数表）；

关键字virtual指明该成员函数为虚函数，virtual仅用于类定义中，如虚函数在类外定义，不可加virtual

我们来看下面代码

class Animal
{
private:
string name;
public:
Animal(const string& na):name(na)
{}
public:
virtual void eat(){}
virtual void walk(){}
virtual void tail(){}
virtual void PrintInfo(){}
string& get_name()
{
return name;
}
const string& get_name()const
{
return name;
}
};
class Dog :public Animal
{
private:
string owner;
public:
Dog(const string& ow, const string na) :Animal(na), owner(ow)
{}
virtual void eat() 
{
cout << "Dog Eat: bone" << endl;
}
virtual void walk() 
{
cout << "Dog Walk: run" << endl;
}
virtual void tail() 
{
cout << "Dog Tail: wangwang" << endl;
}
virtual void PrintInfo() 
{
cout << "Dog owner" << owner << endl;
cout << "Dog name:" << get_name() << endl;
}
};
class Cat :public Animal
{
private:
string owner;
public:
Cat(const string& ow, const string na) :Animal(na), owner(ow)
{}
virtual void eat()
{
cout << "Cat Eat: fish" << endl;
}
virtual void walk()
{
cout << "Cat Walk: silent" << endl;
}
virtual void tail()
{
cout << "Cat Tail: miaomiao" << endl;
}
virtual void PrintInfo()
{
cout << "Cat owner: " << owner << endl;
cout << "Cat name: " << get_name() << endl;
}
};
 // 需要公有继承 公有继承代表是一个的意思
 // 需要引用或指针调用
void fun(Animal& animal)
{
animal.eat(); //对象名称.虚方法()
animal.walk();
animal.tail();
animal.PrintInfo();
}
int main()
{
Dog dog("zyq", "hashiqi"); //const string& ow = "zyq"
Cat cat("zyq", "bosimao");
fun(dog);
fun(cat);
return 0;
}

在这里我们可以看到，当我们调用fun()函数时，传入dog对象则调用Dog的方法，传入cat调用Cat方法；这就是所谓的运行时的多态

要想达到运行时的多态（晚绑定）需要满足：

公有继承

有虚函数

必须以指针或引用方式调用虚函数

若发生早绑定，则会调用Animal类型的方法

成员函数应尽可能的设置为虚函数，但必须注意一下几条：

1.派生类中定义虚函数必须与基类中的虚函数同名外，还必须同参数表，同返回类型；否则被认为是重载，而不是虚函数。如基类中返回基类指针，派生类中返回派生类指针是允许的，这是一个例外

2.只有类的成员函数才能说明为虚函数，这是因为虚函数仅适用于有继承关系的类对象

3.静态成员函数，是所有同一类对象公有，不受限于某个对象，不能作为虚函数（友元函数也不可以）

4.实现动态多态性时，必须使用基类类型的指针变量或引用，使该指针指向该基类的不同派生类的对象，并通过该指针指向虚函数，才能实现动态的多态性

5.内联函数每个对象一个拷贝，无映射关系，不能作为虚函数

6.析构函数可定义为虚函数，构造函数不可以定义为虚函数，因为在调用构造函数时对象还没有完成实例化；在基类中及其派生类中都动态分配的内存空间时，必须把析构函数定义为虚函数，实现撤销对象时的多态性

7.函数执行速度要稍慢一些，为了实现多态性，每一个派生类中均要保存相应虚函数的入口地址表，函数的调用机制也是间接实现；所以多态性总要付出一定代价，但通用性是一个更高的目标

8.如果定义放在类外，virtual只能加在函数声明前面，不能加载函数定义前面；正确的定义必须不包括virtual

虚函数是覆盖，同名函数是隐藏

虚函数编译过程

class Object
{
private:
int value;
public:
Object(int x = 0) :value(x)
{}
virtual void add()
{
cout << "Object::add" << endl;
}
virtual void fun()
{
cout << "Object::fun" << endl;
}
virtual void print()const
{
cout << "Object::print" << endl;
}
};
class Base:public Object
{
private:
int sum;
public:
Base(int x = 0) :Object(x+10),sum(x)
{}
virtual void add()
{
cout << "Base::add" << endl;
}
virtual void fun()
{
cout << "Base::fun" << endl;
}
virtual void print()const
{
cout << "Base::print" << endl;
}
};
int main()
{
}

此处虚函数表中进行的是同名覆盖，而不像继承关系中，同名成员进行隐藏，就近处理；虚函表仅有一份，存在数据区

在主函数创建对象

int main()
{
Base base(10);
Object* op = &base;
}

可以看到base的大小为12字节，因为其中基类对象Object，添加了虚表变为了8字节，且在构建过程，首先构建Object基类，此时虚表指针指向Object的虚表，而接着构建Base类的时候，会将虚表指针修改为指向Base的虚表

也就是，当有虚函数时，构造函数除了构建对象初始化对象的数据成员外，还会将虚表的地址给到虚表指针;同时这也是构造函数不可以作为虚函数的原因

int main()
{
Base base(10);
Object* op = NULL;
Object obj(0);
op = &base;
op->add(); //指针或引用调动，则采用运行时多态
op->fun();
op->print();
obj = base;
obj.add(); //对象直接调动，则采用编译时多态
obj.fun();
obj.print();
}

也就是我们通过，对象名.方法 的方式调用虚函数，则通过编译时多态的方式

运行时的多态，是通过查询虚表进行调用；下面通过汇编进一步查看

只有进行以指针调用或引用调用的时候才会对虚表进行查询

三层继承

class Object
{
private:
int value;
public:
Object(int x = 0) :value(x)
{}
virtual void add()
{
cout << "Object::add" << endl;
}
virtual void fun()
{
cout << "Object::fun" << endl;
}
virtual void print()const
{
cout << "Object::print" << endl;
}
void fn_a()
{
fun();
}
};
class Base:public Object
{
private:
int sum;
public:
Base(int x = 0) :Object(x+10),sum(x)
{}
virtual void add()
{
cout << "Base::add" << endl;
}
virtual void fun()
{
cout << "Base::fun" << endl;
}
virtual void show()
{
cout << "Base::show" << endl;
}
};
class Test :public Base
{
private:
int num;
public:
Test(int x = 0) :Base(x + 10)
{}
virtual void add()
{
cout << "Test::add" << endl;
}
virtual void print() const
{
cout << "Test::print" << endl;
}
virtual void show()
{
cout << "Test::show" << endl;
}
};

我们可以看到虚函数表，当我们构建派生类，会复制基类的虚函数表，将虚表指针指向新的虚函数表，并且将同名的虚函数进行覆盖

依旧使用上面代码

/*
void fn_a()
{
fun();//this->fun(); 属于动态绑定！
}
*/
int main()
{
Test t1;
Base base;
Object obj;
t1.fn_a(); //fn_a(&t1);
base.fun_a();
obj.fn_a();
return 0;
}