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多态的概念多态的定义及实现抽象类多态的原理单继承和多继承关系中的虚函数表继承和多态常见的面试问题 前言
需要声明的#xff0c;下面的代码和解释的哦朴实vs2013x86环境#xff0c;涉及指针是4bytes#xff0c;如果要其他平台下#xff0c;部分代码需要改动。比…目录
多态的概念多态的定义及实现抽象类多态的原理单继承和多继承关系中的虚函数表继承和多态常见的面试问题 前言
需要声明的下面的代码和解释的哦朴实vs2013x86环境涉及指针是4bytes如果要其他平台下部分代码需要改动。比如如果是x64程序则需要考虑指针是8bytes问题等等
1. 多态的概念
1.1 概念
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 比如买票这个行为普通人买票全家学生半价军人买票优先 还有在线支付市场支付宝经常会用扫红包领奖励金的活动有的人是8块有的人是1毛5毛。这背后就是一个多态的行为不用支付宝的人需要被鼓励扫码金额就是random%99比如你经常使用支付宝支付或者支付宝账户中常年没钱就不需要太鼓励你random%1.不同的人得到不同的红包这就是一种多态行为
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取调用同一函数产生了不同的行为。比如Student继承了PersonPerson买全价Student就半价 构成多态有两个条件
必须通过基类的指针或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重写 2.2 虚函数
指被virtual修饰的类成员函数称为虚函数
class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout 买票-全价 endl;}
};
2.3 虚函数重写
派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数返回值、函数名字、参数列表完全相同子类的虚函数重写了基类的虚函数
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; }
/*注意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),但是该种写法不是很规范不建议
这样使用*/
/*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;
}虚函数重写有两个例外 1.协变基类和派生类返回值不同 派生类重写基类虚函数时返回值类型不同基类函数返回基类对象的指针或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;}
};2.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为virtual关键字都与基类的析构函数构成重写虽然基类和派生类析构函数名字不同看起来违背了规则但其实编译器将析构函数名字统一处理成destructor
class Person {
public:virtual ~Person() {cout ~Person() endl;}
};
class Student : public Person {
public:virtual ~Student() { cout ~Student() endl; }
};
// 只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数下面的delete对象调用析构函
数才能构成多态才能保证p1和p2指向的对象正确的调用析构函数。
int main()
{Person* p1 new Person;Person* p2 new Student;delete p1;delete p2;return 0;
}2.4 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肯呢个会导致字母次序反而无法构成重载这种错误在编译期间是不会报错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于检测是否重写
1.final修饰虚函数表示该虚函数不能再被重写
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();
}2.override检查派生类虚函数是否冲洗了基类的虚函数如果没有重写报错
class Car{
public:virtual void Drive(){}
};
class Benz :public Car {
public:virtual void Drive() override {cout Benz-舒适 endl;}
};2.5 重载、覆盖、隐藏的对比 3. 抽象类
3.1 概念
在虚函数的后面写上0这个函数为纯虚函数。包含虚函数的类叫抽象类也叫接口类抽象类不能实例化对象。派生类继承后也不能实例化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();
}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适用函数集成的函数的实现。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不识闲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(Base)是多少
class Base
{
public:virtual void Func1(){cout Func1() endl;}
private:int _b 1;
};
通过观测发现b对象是8bytes除了成员_b,还有一个_vfptr放在对象前面有些平台可能放在后面跟平台有关对象中的这个指针我们叫虚函数表指针v代表virtualf代表function。一个含有虚函数的类中至少都有一个虚函数表指针因为虚函数的地址被放到虚函数表中这个表简称续表派生类这个表放了什么
通过观察和测试我们发现了以下几个问题
派生类对象d中也有一个虚表指针d对象有两部分组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基类b对象和派生类对象d虚表是不一样的fun1完成了重写d的虚表存的是重写的func1也叫覆盖覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重点是语法的叫法覆盖是原理层的叫法另外fun2继承下来后是虚函数所以放进了虚表fun3也继承下来但不是虚函数不会放入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数组最后面放了一个nullptr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.如果派生类重写了积累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这里还有一个容易混淆的问题虚函数存在哪虚表存在哪。 虚表存的是虚函数的指针但函数本体仍然是存在代码段的对象中存的也是虚表指针虚表存在哪可以验证一下
先学习一种打印虚表的方法可以便于观测虚表的调用和地址
typedef void(*FPTR)();
void funtable(FPTR table[])
{for (int i 0; table[i] ! nullptr; i){printf([%d]:%p-, i ,table[i]);FPTR fp table[i];fp();}
}
funtable((FPTR*)(*(int*)(b)));
funtable((*(FPTR**)d));上面可以打印出虚函数表有哪些虚函数和地址 打印出各种变量的地址看看虚表在哪
int x 0;
static int y 0;
int* z new int;
const char* p xxxxxxxxxxxxxxxxxx;printf(栈对象%p\n, x);
printf(堆对象%p\n, z);
printf(静态区对象%p\n, y);
printf(常量区对象%p\n, p);
printf(b对象虚表%p\n, *((int*)b));
printf(d对象虚表%p\n, *((int*)d));虚表更接近常量区
4.2 多态的原理
分析了半天多态的原理是什么还记得fun函数传Person调用的是Personbuyticket传student调student的buyticket函数 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;
}观察下图红色箭头看到p是指向mike对象时p-buyticket在mike的虚表中找到虚函数是Personbuyticket观察下面的蓝色箭头看到p是指向johnson对象时p-buyticket在johnson虚表中找到虚函数是studentbuyticket要达到多态有两个条件一个是虚函数覆盖一个是父对象的指针或引用调用虚函数为什么通过汇编分析满足多态以后得函数调用不是在编译时确定的是运行起来后对象中取来的。不满足多态的函数调用时编译确认好的
void Func(Person* p) { p-BuyTicket(); } int main() { Person mike; Func(mike); mike.BuyTicket();
return 0; } // 以下汇编代码中跟你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edx 001940E1 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eax 00B823EE 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 以后到对象的中取找的。 001940EA call eax 00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) … }
4.3 动态绑定与静态绑定
1.静态绑定右成前期绑定早绑定在程序编译器间确定了程序的行为称为静态多态如函数重载 2.动态绑定称后期绑定晚绑定是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称为动态多态 3.本小姐之前买票的代码很好的解释了什么是静态绑定和动态绑定
5. 单继承和多继承的虚函数表
需要注意的是单继承和多继承关系中下面我们去关注的是派生类对象的虚表模型因为基类的虚表模型前面已经看过了
5.1 单继承中的虚函数表
class Base {
public :virtual void func1() { coutBase::func1 endl;}virtual void func2() {coutBase::func2 endl;}
private :int a;
};
class Derive :public Base {
public :virtual void func1() {coutDerive::func1 endl;}virtual void func3() {coutDerive::func3 endl;}virtual void func4() {coutDerive::func4 endl;}
private :int b;
};观察下面中的监视窗口中我们发现看不见func3和func4编译器的窗口故意隐藏了这两个函数也可以认为是小bug那么如何看虚表呢用上面的代码打印这两个函数 typedef void(*VFPTR) ();
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;
// 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。VFPTR* vTableb (VFPTR*)(*(int*)b);PrintVTable(vTableb);VFPTR* vTabled (VFPTR*)(*(int*)d);PrintVTable(vTabled);return 0;
}5.2 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*)dsizeof(Base1)));PrintVTable(vTableb2);return 0;
}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
5.3 菱形继承、菱形虚拟继承
十几种不建议菱形继承和菱形虚拟继承一个是复杂太容易出问题另一方面这样的模型访问基类成员有一定性能损耗。所以菱形继承菱形继承继承虚表不看了一般也不需要研究清楚实际中很少用想了解下面有两篇链接 虚函数表解析 对象的内存布局
6. 继承和多态常见的问题
6.1 概念查考
下面哪种面向对象的方法可以让你变得富有( ) A: 继承 B: 封装 C: 多态 D: 抽象( )是面向对象程序设计语言中的一种机制。这种机制实现了方法的定义与具体的对象无关 而对方法的调用则可以关联于具体的对象。 A: 继承 B: 模板 C: 对象的自身引用 D: 动态绑定面向对象设计中的继承和组合下面说法错误的是 A继承允许我们覆盖重写父类的实现细节父类的实现对于子类是可见的是一种静态复 用也称为白盒复用 B组合的对象不需要关心各自的实现细节之间的关系是在运行时候才确定的是一种动 态复用也称为黑盒复用 C优先使用继承而不是组合是面向对象设计的第二原则 D继承可以使子类能自动继承父类的接口但在设计模式中认为这是一种破坏了父类的封 装性的表现以下关于纯虚函数的说法,正确的是( ) A声明纯虚函数的类不能实例化对象 B声明纯虚函数的类是虚基类 C子类必须实现基类的纯虚函数 D纯虚函数必须是空函数关于虚函数的描述正确的是( ) A派生类的虚函数与基类的虚函数具有不同的参数个数和类型 B内联函数不能是虚函数 C派生类必须重新定义基类的虚函数 D虚函数可以是一个static型的函数关于虚表说法正确的是 A一个类只能有一张虚表 B基类中有虚函数如果子类中没有重写基类的虚函数此时子类与基类共用同一张虚表 C虚表是在运行期间动态生成的 D一个类的不同对象共享该类的虚表假设A类中有虚函数B继承自AB重写A中的虚函数也没有定义任何虚函数则 AA类对象的前4个字节存储虚表地址B类对象前4个字节不是虚表地址 BA类对象和B类对象前4个字节存储的都是虚基表的地址 CA类对象和B类对象前4个字节存储的虚表地址相同 DA类和B类虚表中虚函数个数相同但A类和B类使用的不是同一张虚表下面程序输出结果是什么?
#includeiostream
using namespace std;
class A{
public:A(char *s) { coutsendl; }~A(){}
};
class B:virtual public A
{
public:B(char *s1,char*s2):A(s1) { couts2endl; }
};
class C:virtual public A
{
public:C(char *s1,char*s2):A(s1) { couts2endl; }
};
class D:public B,public C
{
public:D(char *s1,char *s2,char *s3,char *s4):B(s1,s2),C(s1,s3),A(s1){ couts4endl;}
};
int main() {D *pnew D(class A,class B,class C,class D);delete p;return 0;
}Aclass A class B class C class D Bclass D class B class C class A Cclass D class C class B class A Dclass A class C class B class D 9. 多继承中指针偏移问题下面说法正确的是( )
class Base1 { public: int _b1; };
class Base2 { public: int _b2; };
class Derive : public Base1, public Base2 { public: int _d; };
int main(){Derive d;Base1* p1 d;Base2* p2 d;Derive* p3 d;return 0;
}
Ap1 p2 p3 Bp1 p2 p3 Cp1 p3 ! p2 Dp1 ! p2 ! p3 10. 以下程序输出结果是什么 class A{public:virtual void func(int val 1){ std::coutA- val std::endl;}virtual void test(){ func();}};class B : public A{public:void func(int val0){ std::coutB- val std::endl; }};int main(int argc ,char* argv[]){B*p new B;p-test();return 0;}A: A-0 B: B-1 C: A-1 D: B-0 E: 编译出错 F: 以上都不正确
参考答案
A 2. D 3. C 4. A 5. BD 7. D 8. A 9. C 10. B
6.2 问答题
1.什么是多态 参考本课件 2.什么是重载、重写覆盖、重定义隐藏 参考本掉件 3.多态的实现原理 参考本课件 4.inline函数可以是虚函数吗 可以不过inline函数本身是在定义出展开没有地址不能加到虚函数表里。所以会忽略inline属性不再内联加入到虚函数表里 5.静态成员可以是虚函数吗 不能因为静态成员函数没有this指针使用类型成员函数的调用方式无法访问虚函数表所以静态成员函数无法放进虚函数表 6.构造函数可以是虚函数吗 不能因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始化的 7.析构函数可以是虚函数吗 可以。并且最好把基类的析构函数定义为虚函数参考本课件 8.对象访问普通函数快还是虚函数快 如果是普通对象是一样快的如果是指针对象或者引用对象则调用的普通函数快因为构成多态运行时调用虚函数需要到虚函数表中查找 9.虚函数表是什么阶段产生的存在哪 虚函数表是在编译阶段产生的一般情况下存在代码段常量区 10.c菱形继承的问题虚继承的原理 参考继承课件。注意这里不要把虚函数表和虚基表搞混了 11.什么是抽象类抽象类的作用 抽象类强制重写了虚函数另外抽象类体现出了接口继承关系
