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C++?超詳細分析多態(tài)的原理與實現(xiàn)

更新時間：2022年03月24日 15:18:59 作者：ymz123_

這篇文章主要介紹了C++多態(tài)的原理與實現(xiàn)，多態(tài)是一種面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思路，本身和C++不是強綁定的，其他語言當中一樣有多態(tài)，只不過實現(xiàn)的方式可能有所不同。下面來一起了解更多詳細內(nèi)容吧

多態(tài)的定義及實現(xiàn)

多態(tài)的概念：通俗來說，就是多種形態(tài)，具體點就是去完成某個行為，當不同的對象去完成時會產(chǎn)生出不同的狀態(tài)。

比如買票這個行為，當普通人買票時，是全價買票；學生買票時，是半價買票；軍人買票時是優(yōu)先買票。

多態(tài)的構(gòu)成條件

多態(tài)是在不同繼承關(guān)系的類對象，去調(diào)用同一函數(shù)，產(chǎn)生了不同的行為。比如Student繼承了Person。Person對象買票全價，Student對象買票半價。

在繼承中構(gòu)成多態(tài)還有兩個條件：

必須通過基類的指針或者引用調(diào)用虛函數(shù)
被調(diào)用的函數(shù)必須是虛函數(shù)，且派生類必須對基類的虛函數(shù)進行重寫。

虛函數(shù)重寫

虛函數(shù)：即被virtual修飾的類成員函數(shù)。

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

虛函數(shù)的重寫（覆蓋）：派生類中有一個跟基類完全相同的虛函數(shù)（即派生類虛函數(shù)與基類虛函數(shù)的返回值類型、函數(shù)名字、參數(shù)列表完全相同），稱子類的虛函數(shù)重寫了基類的虛函數(shù)。

注：在重寫基類虛函數(shù)時，派生類的虛函數(shù)在不加virtual關(guān)鍵字時，雖然也可以構(gòu)成重寫（因為繼承后基類的虛函數(shù)被繼承下來了，在派生類依舊保持虛函數(shù)屬性），但該種寫法不是很規(guī)范。

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

class Student : public Person{
public:
	virtual void BuyTicket(){ cout << "買票-半價" << endl; }
};

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

int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	
	Func(ps);
	Func(st);

	return 0;
}

虛函數(shù)重寫的兩個例外：

1.協(xié)變（基類與派生類虛函數(shù)返回值類型不同）派生類重寫基類虛函數(shù)時，與基類虛函數(shù)返回值類型不同。即基類虛函數(shù)返回基類對象的指針或者引用，派生類虛函數(shù)返回派生類對象的指針或引用時，稱為協(xié)變。

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; }
};

析構(gòu)函數(shù)的重寫（基類與派生類析構(gòu)函數(shù)的名字不同）如果基類的析構(gòu)函數(shù)為虛函數(shù)，此時派生類析構(gòu)函數(shù)只要定義，無論是否加virtual關(guān)鍵字，都與基類的析構(gòu)函數(shù)構(gòu)成重寫，雖然基類與派生類析構(gòu)函數(shù)名字不同。這里可以理解為編譯器對析構(gòu)函數(shù)的名稱做了特殊處理，編譯后析構(gòu)函數(shù)的名稱同一處理成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;
}

只有派生類Student的析構(gòu)函數(shù)重寫了Person的析構(gòu)函數(shù)，這里的delete對象調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，才能構(gòu)成多態(tài)，才能保證p1和p2指向的對象正確調(diào)用析構(gòu)函數(shù)。

C++11的override和final

從上面可以看出，C++對函數(shù)重寫的要求比較嚴格，但有些情況下由于疏忽，可能會導致函數(shù)名字母次序?qū)懛炊鵁o法構(gòu)成重寫，而這種錯誤在編譯期間是不會報錯的，但程序運行時不會得到預期結(jié)果。因此C++11提供了override和final兩個關(guān)鍵字，可以幫助用戶檢測是否重寫。

final：修飾虛函數(shù)，表示該虛函數(shù)不能再被重寫。即final一個類，這個類不能被繼承。

class Car
{
public:
	virtual void Drive() final {}
};

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

override：檢查派生類虛函數(shù)是否重寫了基類某個虛函數(shù)，如果沒有重寫，編譯器將會報錯。

class Car
{
public:
	virtual void Drive() {}
};

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

重載、覆蓋(重寫)、因此(重定義)的對比

抽象類

概念：在虛函數(shù)的后面寫上 = 0，則這個函數(shù)為純虛函數(shù)。包含純虛函數(shù)的類叫做抽象類（也叫接口類），抽象類不能實例化出對象。派生類繼承后也不能實例化出對象，只有重寫虛函數(shù)，派生類才能實例化出對象。純虛函數(shù)規(guī)范了派生類必須重寫，另外純虛函數(shù)更體現(xiàn)出了接口繼承。

class Car 
{
public:
	virtual void Drive() = 0;
};

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

接口繼承和實現(xiàn)繼承

普通函數(shù)的繼承是一種實現(xiàn)繼承，派生類繼承了基類函數(shù)，可以使用函數(shù)，繼承的是函數(shù)的實現(xiàn)。虛函數(shù)的繼承是一種接口繼承，派生類繼承的是基類虛函數(shù)的接口，目的是為了重寫，達成多態(tài)，繼承的是接口。所以如果不實現(xiàn)多態(tài)，不要把函數(shù)定義成虛函數(shù)。

多態(tài)的原理

虛函數(shù)表

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

public:
	int _b = 1;
};

sizeof(Base)是多少？

處理_b成員，還多一個_vfptr放在對象的前面（有些平臺可能會放到對象的最后面，這與平臺有關(guān)），對象中的這個指針叫做虛函數(shù)表指針（v代表virtual，f代表function）。一個含有虛函數(shù)的類中都至少有一個虛函數(shù)表指針，因為虛函數(shù)的地址要被放到虛函數(shù)表中，虛函數(shù)表也稱虛表。

針對上面的代碼做出以下改造：

1.增加一個派生類Derive去繼承Base

2.Derive中重寫Func1

3.Base再增加一個虛函數(shù)Func2和一個普通函數(shù)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;
}

我們發(fā)現(xiàn)：

1.派生類對象d中也有一個虛表指針，d對象由兩部分構(gòu)成，一部分是父類繼承下來的成員，虛表指針也就是存在部分的另一部分是自己的成員。

2.基類b對象和派生類d對象虛表是不一樣的，這里我們發(fā)現(xiàn)Func1完成了重寫，所以d的需表中存的是重寫的Derive::Func1，所以虛函數(shù)的重寫也叫做覆蓋，覆蓋就是指需表中虛函數(shù)的覆蓋。重寫是語法的叫法，覆蓋是原理層的叫法。

3.另外Func2繼承下來后是虛函數(shù)，所以放進了虛表，F(xiàn)unc3也繼承下來了，但不是虛函數(shù)，所以不會放進虛表。

4.虛函數(shù)表本質(zhì)是一個存虛函數(shù)指針的指針數(shù)組，一般情況這個數(shù)組最后面放了一個nullptr。

5.總結(jié)一下派生類的虛表生成：a.先將基類中的虛表內(nèi)容拷貝一份到派生類虛表中。b.如果派生類重寫了基類中某個虛函數(shù)，用派生類自己的虛函數(shù)覆蓋虛表中基類的虛函數(shù)。c.派生類自己新增加的虛函數(shù)按其在派生類中的聲明次序增加到派生類虛表的最后。

6.虛表存的是虛函數(shù)指針，不是虛函數(shù)，虛函數(shù)和普通函數(shù)一樣，都存在代碼段，只是它的指針又存到了虛表中。另外對象中存的不是虛表，存的是虛表指針。

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，也成為靜態(tài)多態(tài)。比如：函數(shù)重載。

2.動態(tài)綁定又稱為后期綁定（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)，也成為動態(tài)多態(tài)。

單繼承和多繼承關(guān)系的虛函數(shù)表

單繼承中的虛函數(shù)表

使用代碼打印出虛表中的函數(shù)：

取出b、d對象的頭4bytes，就是虛表的指針，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對象頭4bytes的值，這個值就是指向虛表的指針。

3.再強轉(zhuǎn)成VFPTR，因為虛表就是一個存VFPTR類型（虛函數(shù)指針類型）的數(shù)組。

4.虛表指針傳遞給PrintVFT進行打印虛表。

5.注意：這個打印虛表的代碼經(jīng)常會崩潰，因為編譯器有時對虛表的處理不干凈，虛表最后沒有放nullptr，導致越界，這時編譯器的問題。需要點目錄欄的-生成-清理解決方案，再編譯。

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("棧幀變量：%p\n", &a);
	printf("堆變量：%p\n", p1);
	printf("常量區(qū)變量：%p\n", p2);
	printf("函數(shù)地址變量：%p\n", pf);
	printf("靜態(tài)區(qū)變量：%p\n", &b);
	printf("虛函數(shù)表地址：%p\n", *(int*)&bb);

	return 0;
}

從以上代碼也可以看出，虛函數(shù)表地址與常量區(qū)變量地址非常相近，它也存在常量區(qū)。

多繼承中的虛函數(shù)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;
}