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文章目录1. 多态的概念1.1 概念2. 多态的定义及实现2.1多态的构成条件2.2 虚函数2.3虚函数的重写虚函数重写的三个例外2.4 普通调用和多态调用2.5 C11 override 和 final2.6 重载、虚函数的覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比3. 抽象类(有关纯虚函数)3.1 概念3.2 接口继承和实现继承4.多态的原理4.1虚函数表派生类的虚表生成流程虚函数存在哪的虚表存在哪的4.2多态的原理4.3 动态绑定与静态绑定5.单继承和多继承关系的虚函数表5.1 如何打印单继承中的虚函数表5.2 打印多继承中的虚函数表1. 多态的概念
1.1 概念
静态的多态函数重载 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。
举个栗子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。
2. 多态的定义及实现
2.1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。 那么在继承中要构成多态还有两个条件
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且派生类必须对基类的虚函数进行重写
下面是多态的实现代码以及流程
2.2 虚函数
虚函数即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。 虚函数的作用是用来实现多态。
class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout 买票-全价 endl; }
};2.3虚函数的重写
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。 注意派生类对于基类虚函数的重写只改变实现不改变接口多态调用时派生类虚函数接口完全继承于基类包括参数列表的缺省值 等。
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 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;
}虚函数重写的三个例外
子类虚函数可以不加virtual。建议父类子类虚函数都加上virtual 解释子类继承父类虚函数BuyTicket()如果在子类中压根没写BuyTicket()因为继承在子类中也是存在的而且也是虚函数即使在子类中有BuyTicket()那么也认为子类只是对BuyTicket()的实现进行重写实现不一样其他的基本都是一样的所以子类虚函数可以不加virtual。但不推荐这样做。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。 解释就是在 三同中返回值类型、函数名字、参数列表完全相同只要求参数类型相同即可不看参数的缺省值是否相同返回值可以不同但是要求返回值必须是一个父子类关系的指针或者引用这个指针或者引用可以是其他类型的也可以是这个父子类自己的称为协变。了解
请看下面示例代码
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。 解释虽然函数名不相同看起来违背了重写的规则其实不然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对所有析构函数的名称统一处理成destructor()。
关于析构函数还有下面需要注意的地方
如果基类没有把析构函数变为虚函数子类也没有设置它俩只是继承关系那么下面的例子中delete p1;和delete p2;只是普通调用。 普通调用的话delete对于自定义类型 第一步在空间上执行析构函数完成对象中资源的清理工作 第二步调用operator delete函数释放对象的空间 那么就会看到下面错误析构的场景 delete看到谁的指针就只析构谁那么这样的话p2所维护的Student那一部分没有被析构就造成了内存泄漏。当基类加上virtual的时候此时Person和Student就具有了多态的特性这时使用delete的时候就是多态调用那么多态调用的话调用析构函数就跟指向的对象有关了此时Person指针p2指向的对象是student析构的时候会先析构派生类再析构基类。如下图所示 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;
}所以实现父类的时候可以无脑给析构函数加virtaul
2.4 普通调用和多态调用
普通调用跟调用对象类型有关 解释就像普通函数调用参数列表是A对象传参也是A类型的对象下面调用成员的时候一定是和A对象有关的。多态调用跟指针/引用指向的对象有关 解释多态调用就不一样了参数列表是A对象的指针/引用B继承A传参的时候就可能是B对象函数内部调用的时候就都是B对象的成员了。
2.5 C11 override 和 final
从上面可以看出C对函数重写的要求比较严格但是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载而这种错误在编译期间是不会报出的只有在程序运行时没有得到预期结果才来debug会得不偿失因此C11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非常少用
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正确重写了基类某个虚函数如果没有正确重写编译报错。
class Car {
public:virtual void Drive() {}
};
class Benz :public Car {
public:virtual void Drive() override { cout Benz-舒适 endl; }
};2.6 重载、虚函数的覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比 3. 抽象类(有关纯虚函数)
3.1 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纯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。抽象类可以定义指针而且经常这样做其目的就是用父类指针指向子类从而实现多态
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();
}3.2 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。
4.多态的原理
4.1虚函数表
// 这里常考一道笔试题sizeof(b)是多少
class Base
{
public:virtual void Func1(){cout Func1() endl;}
private:int _b 1;
};
int main()
{Base b;std::coutsizeof(b);return 0;
}通过观察测试我们发现b对象是12bytes除了_b和_ch成员还多一个__vfptr放在对象的前面(注意有些平台可能会放到对象的最后面这个跟平台有关)所以根据结构体内存对齐Base类是占12个字节的对象中的这个指针叫做虚函数表指针/虚表指针(v代表virtualf代表function)。 一个含有虚函数的类中都至少都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简称虚表。 那么派生类中这个表放了些什么呢我们接着往下分析
// 针对上面的代码我们做出以下改造
// 1.我们增加一个派生类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 Func3(){cout Base::Func3() endl;}
private:int _b 1;
};
class Derive : public Base
{
public:virtual void Func1(){cout Derive::Func1() endl;}
private:int _d 2;
};
int main()
{Base b;Derive d;return 0;
}通过观察和测试我们发现了以下几点问题
派生类对象d中也有一个虚表指针指向一个自己的虚表由两部分构成一部分是父类继承下来的成员Func1另一部分是自己的成员Func2。基类b对象和派生类d对象的虚表是不一样的这里我们发现派生类对于Func1完成了重写所以d的虚表中存的是重写的Derive::Func1所以虚函数的重写也叫作覆盖覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重写是语法的叫法覆盖是原理层的叫法。另外Func2继承下来后是虚函数所以放进了虚表Func3也继承下来了但是不是虚函数所以不会放进虚表。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。
派生类的虚表生成流程
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。
补充虚函数表是在编译阶段生成的一般情况下存在代码段(常量区)。 在构造函数初始化列表中进行初始化(虚表指针)
虚函数存在哪的虚表存在哪的
答虚表存的是虚函数的指针不是虚函数虚函数和普通函数一样的都是存在代码段的只是这些虚函数的指针地址又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表存的是虚表的指针地址。那么虚表存在哪的呢实际我们去验证一下会发现vs下是存在代码段的。 验证原理带有虚函数的一个类里的前四个字节是虚函数表指针这个想要知道虚表在哪看看这个指针指向的位置在哪就可以知道虚表在哪了。 核心代码如何去取一个be类对象的头四个字节(void*)*((int*)be) 验证代码
int main()
{int a 0;cout 栈: a endl;int* p1 new int;cout 堆: p1 endl;const char* str hello world;cout 代码段/常量区: (void*)str endl;static int b 0;cout 静态区/数据段: b endl;Base be;cout Base虚表: (void*)*((int*)be) endl;Base be1;Base* ptr1 be1;int* ptr2 (int*)ptr1;printf(Base虚表:%p\n, *ptr2);Derive de;cout Derive虚表: (void*)*((int*)de) endl;return 0;
}最后运行结束得到如下结论
首先可以看到这些类的虚函数表地址都和代码段/常量区相差的不太远所以其实虚函数表地址也是在公共的代码段/常量区。 因此一个类的不同对象的虚函数表地址都是一样的就像上面的be和be1。
4.2多态的原理
那么多态的原理到底是什么看下面例子
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 Mike;Func(Mike);Student Johnson;Func(Johnson);return 0;
}下面是多态调用的汇编代码
void Func(Person* p)
{p-BuyTicket();
}
int main()
{Person mike;Func(mike);mike.BuyTicket();return 0;
}
// 以下汇编代码中跟这个问题不相关的都被去掉了
void Func(Person* p)
{...p-BuyTicket();// p中存的是mike对象的指针将p移动到eax中001940DE mov eax, dword ptr[p]// [eax]就是取eax值指向的内容这里相当于把mike对象头4个字节(虚表指针)移动到了edx001940E1 mov edx, dword ptr[eax]// [edx]就是取edx值指向的内容这里相当于把虚表中的头4字节存的虚函数指针移动到了eax00B823EE mov eax, dword ptr[edx]// call eax中存虚函数的指针。这里可以看出满足多态的调用不是在编译时确定的是运行起来以后到对象的中去找的。001940EA call eax00头1940EC cmp esi, esp
}
int main()
{...// 首先BuyTicket虽然是虚函数但是mike是对象不满足多态的条件所以这里是普通函数的调用转换成地址时是在编译时已经从符号表确认了函数的地址直接call 地址mike.BuyTicket();00195182 lea ecx, [mike]00195185 call Person::BuyTicket(01914F6h)...
}结论 要达到多态有两个条件一个是虚函数覆盖一个是对象的指针或引用调用虚函数。 通过汇编代码分析满足多态以后的函数调用不是在编译时确定的是运行起来以后到对象中的虚表指针通过虚表找到要调用虚函数的实现从而完成多态的正确调用。 普通函数的调用是在编译时已经从符号表确认了函数的地址程序运行时直接call地址即可。
4.3 动态绑定与静态绑定
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称为静态多态比如函数重载动态绑定又称后期绑定(晚绑定)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称为动态多态。
5.单继承和多继承关系的虚函数表
5.1 如何打印单继承中的虚函数表
class Base {
public:virtual void func1() { cout Base::func1 endl; }virtual void func2() { cout Base::func2 endl; }
private:int a;
};
class Derive :public Base {
public:virtual void func1() { cout Derive::func1 endl; }virtual void func3() { cout Derive::func3 endl; }virtual void func4() { cout Derive::func4 endl; }
private:int b;
};观察下图中的监视窗口中我们发现看不见func3和func4。这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数也可以认为是vs的一个小bug。那么我们如何查看d的虚表呢下面我们使用代码打印出虚表中的函数。 思路取出b、d对象的头4bytes就是虚表的指针前面我们说了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PrintVTable进行打印虚表 5.需要说明的是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面没有放nullptr导致越界这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的 - 生成 - 清理解决方案再编译就好了。
typedef void(*VFPTR) ();//把VFPTR定义为一个函数指针类型
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数cout 虚表地址 vTable endl;for (int i 0; vTable[i] ! nullptr; i){printf( 第%d个虚函数地址 :0X%x,-, i, vTable[i]);VFPTR f vTable[i];f();}cout endl;
}
int main()
{Base b;Derive d;VFPTR * vTableb (VFPTR*)(*(int*)b);PrintVTable(vTableb);VFPTR* vTabled (VFPTR*)(*(int*)d);PrintVTable(vTabled);return 0;
}5.2 打印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 Derive::func1 endl; }virtual void func3() { cout Derive::func3 endl; }
private:int d1;
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{cout 虚表地址 vTable endl;for (int i 0; vTable[i] ! nullptr; i){printf( 第%d个虚函数地址 :0X%x,-, i, vTable[i]);VFPTR f vTable[i];f();}cout endl;
}
int main()
{Derive d;VFPTR* vTableb1 (VFPTR*)(*(int*)d);PrintVTable(vTableb1);VFPTR* vTableb2 (VFPTR*)(*(int*)((char*)d sizeof(Base1)));PrintVTable(vTableb2);return 0;
}观察下图可以看出
多继承派生类的未重写的虚函数放在第一个继承基类部分的虚函数表中多继承的继承顺序就是初始化顺序多继承的时候一个类就会有多张虚表
