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C++多态

时间：2019-11-19 21:42:59      阅读：91      评论：0      收藏：0      [点我收藏+]

 

 关于多态，简而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”，这是一种泛型技术。

 

多态

函数重载

 

  • 相同的作用域（在同一个类中）；
  • 函数名字相同、参数（类型或个数）不同；
  • virtual关键字可有可无；

 

 

隐藏

隐藏是指派生类的函数屏蔽了与其同名的基类函数，有2种情况：

  • 派生类有和基类同名的函数，但参数不同，基类函数无论有无virtual关键字，基类的函数将被隐藏；
  • 派生类有和基类同名的函数，且参数相同，如果基类函数无virtual关键字，基类的函数将被隐藏；

 

覆盖

  • 派生类有和基类同名的函数，且参数相同，如果基类函数有virtual关键字，基类的函数将被覆盖；

 

 

虚函数（Virtual Function）

虚函数的特征：
  • 基类通常应将派生类需要重定义的成员函数声明为虚函数；
  • 除了构造函数之外，任意的非static成员函数都可以是虚函数；
  • 一旦函数在基类中声明为虚函数，它就一直为虚函数，派生类无法改变该函数为虚函数这一事实。派生类重定义虚函数时，可以使用virtual关键字，但不是必须这样做；
  • 基类指针（或引用）可以指向派生类对象；派生类指针（或引用）不能指向基类对象；
  • 通过基类指针（或引用）调用非虚函数时，则无论实际对象是什么类型，都执行基类类型所定义的函数。
  • 通过基类指针（或引用）调用虚函数时，编译器将在运行时确定调用哪个函数，被调用的是与动态类型相对应的函数。
  • 派生类中虚函数的声明必须与基类中的定义方式完全匹配，有一个例外：返回对基类指针（或引用）的虚函数，派生类中的虚函数可以返回派生类的指针（或引用）。
  • 可以使用作用域操作符覆盖虚函数机制，例如：
Item_base *baseP = &derived;
double c = baseP->net_price(42);     // 调用派生类中的版本
double d = baseP->Item_base::net_price(42);     // 调用基类中的版本

 

 

虚函数表（Virtual Table）

虚函数表（VT） 是一个类的虚函数的地址表，这张表解决了继承、覆盖的问题。这样，在有虚函数的类的实例中这个表被分配在了这个实例的内存中，所以，当我们用父类的指针来操作一个子类的时候，这张虚函数表就显得由为重要了，它就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。
C++的编译器应该是保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置（这是为了保证取到虚函数表的有最高的性能——如果有多层继承或是多重继承的情况下）。 这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表，然后就可以遍历其中函数指针，并调用相应的函数。
 

单继承 

看个例子：
class Base {
    public:
        virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }
        virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }
        virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }
};

typedef void(*Fun)(void);
int main(int argc, char** argv) {
    Base b;
    long* pvt = (long*) (&b);       // 虚函数表地址

    long* pfun1 = (long*)(*pvt);    // 第一个虚函数

    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        Fun fun = (Fun)(*(pfun1 + i));
        fun();
    }   

    return 0;
}

运行结果：

Base::f
Base::g
Base::h

 

对象内存布局：

技术分享图片

在上面这个图中，我在虚函数表的最后多加了一个结点，这是虚函数表的结束结点，就像字符串的结束符“/0”一样，其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。

 

 

 然后看下有继承的时候，派生类对象的虚函数表是怎样的： 
class Base {
    public:
        virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }
        virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }
        virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }
};

class Derived: Base {
    public:
        virtual void f1() { cout << "Derived::f1" << endl; }
        virtual void g1() { cout << "Derived::g1" << endl; }
        void h1() { cout << "Derived::h1" << endl; }
};

typedef void(*Fun)(void);
int main(int argc, char** argv) {
    Base b;
    Derived d;

    long* pvt = (long*) (&d);       // 虚函数表地址
    long* pfun1 = (long*)(*pvt);    // 第一个虚函数

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        Fun fun = (Fun)(*(pfun1 + i));
        fun();
    }

    return 0;
}

运行结果：

Base::f
Base::g
Base::h
Derived::f1
Derived::g1

 

上面的派生类没有覆盖，再看下有覆盖的场景：

class Base {
    public:
        virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }
        virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }
        virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }
};

class Derived: Base {
    public:
        virtual void f1() { cout << "Derived::f1" << endl; }
        virtual void g() { cout << "Derived::g" << endl; }
        void h1() { cout << "Derived::h1" << endl; }
};

typedef void(*Fun)(void);
int main(int argc, char** argv) {
    Base b;
    Derived d;

    long* pvt = (long*) (&d);       // 虚函数表地址
    long* pfun1 = (long*)(*pvt);    // 第一个虚函数

    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        Fun fun = (Fun)(*(pfun1 + i));
        fun();
    }

    return 0;
}

运行结果：

Base::f
Derived::g
Base::h
Derived::f1

可见，派生类的虚函数g()覆盖了原本基类g()函数的位置，此时对下面的代码

 Base *pb = (Base*)&d;
 pb->g();

输出结果为

Derived::g

由pb所指的内存中的虚函数表的g()的位置已经被Derived::g()函数地址所取代，于是在实际调用发生时，是Derived::g()被调用了，这就实现了多态。

 
 
总结下就是： 
  • 虚函数按照其声明顺序放于表中；
  • 父类的虚函数在子类的虚函数前面；
  • 如果子类的虚函数覆盖了父类，则该虚函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。
 
 

 多继承

看个多继承的例子
class Base1 {
    public:
        virtual void f() { cout << "Base1::f" << endl; }
        virtual void g() { cout << "Base1::g" << endl; }
        virtual void h() { cout << "Base1::h" << endl; }
};

class Base2 {
    public:
        virtual void f() { cout << "Base2::f" << endl; }
        virtual void g() { cout << "Base2::g" << endl; }
        virtual void h() { cout << "Base2::h" << endl; }
};

class Base3 {
    public:
        virtual void f() { cout << "Base3::f" << endl; }
        virtual void g() { cout << "Base3::g" << endl; }
        virtual void h() { cout << "Base3::h" << endl; }
};

class Derived: Base1, Base2, Base3 {
    public:
        virtual void f1() { cout << "Derived::f1" << endl; }
        virtual void g1() { cout << "Derived::g1" << endl; }
};

typedef void(*Fun)(void);
int main(int argc, char** argv) {
    Derived d;

    long* pvt = (long*) (&d);           // 虚函数表地址
    long* pfun1 = (long*)(*pvt);        // Base1虚函数表
    long* pfun2 = (long*)(*(pvt+1));    // Base2虚函数表
    long* pfun3 = (long*)(*(pvt+2));    // Base3虚函数表

    cout<<"Base1 vt:"<<endl;
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        Fun fun = (Fun)(*(pfun1 + i));
        fun();
    }

    cout<<endl<<"Base2 vt:"<<endl;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        Fun fun = (Fun)(*(pfun2 + i));
        fun();
    }

    cout<<endl<<"Base3 vt:"<<endl;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        Fun fun = (Fun)(*(pfun3 + i));
        fun();
    }

    return 0;
}

运行结果

Base1 vt:
Base1::f
Base1::g
Base1::h
Derived::f1
Derived::g1

Base2 vt:
Base2::f
Base2::g
Base2::h

Base3 vt:
Base3::f
Base3::g
Base3::h

 

对象内存布局

技术分享图片

 
 
 
上面的例子没有覆盖，如果让派生类的g()覆盖基类同名虚函数：
class Derived: Base1, Base2, Base3 {
    public:
        virtual void f() { cout << "Derived::f" << endl; }
        virtual void g1() { cout << "Derived::g1" << endl; }
};

typedef void(*Fun)(void);
int main(int argc, char** argv) {
    Derived d;

    long* pvt = (long*) (&d);           // 虚函数表地址
    long* pfun1 = (long*)(*pvt);        // Base1虚函数表
    long* pfun2 = (long*)(*(pvt+1));    // Base2虚函数表
    long* pfun3 = (long*)(*(pvt+2));    // Base3虚函数表

    cout<<"Base1 vt:"<<endl;
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        Fun fun = (Fun)(*(pfun1 + i));
        fun();
    }

    cout<<endl<<"Base2 vt:"<<endl;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        Fun fun = (Fun)(*(pfun2 + i));
        fun();
    }

    cout<<endl<<"Base3 vt:"<<endl;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        Fun fun = (Fun)(*(pfun3 + i));
        fun();
    }

    return 0;
}

运行结果

Base1 vt:
Derived::f
Base1::g
Base1::h
Derived::g1

Base2 vt:
Derived::f
Base2::g
Base2::h

Base3 vt:
Derived::f
Base3::g
Base3::h

 

对象内存布局

技术分享图片

我们可以看见，三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样，我们就可以任一静态类型的父类来指向子类，并调用子类的f()了，例如：
 Base1* pb1 = (Base1*)&d;
 pb1->f();   // Derived::f
 pb1->g();   // Base1::g

 Base2* pb2 = (Base2*)&d;
 pb2->f();   // Derived::f
 pb2->g();   // Base2::g

 Base3* pb3 = (Base3*)&d;
 pb3->f();   // Derived::f
 pb3->g();   // Base3::g

 

总结下就是： 
  • 每个父类都有自己的虚表；
  • 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中（所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的），这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数；

 

最后，我们知道，子类没有重载父类的虚函数是一件毫无意义的事情。因为多态也是要基于函数重载的。虽然在上面的图中我们可以看到Base1的虚表中有Derive的虚函数g1()，但我们根本不可能使用下面的语句来调用子类的自有虚函数：

Base1* pb1 = (Base1*)&d;
pb1->g1();   // Error!

任何妄图使用父类指针想调用子类中的未覆盖父类的成员函数的行为都会被编译器视为非法，所以，这样的程序根本无法编译通过。但在运行时，我们可以通过指针的方式访问虚函数表来达到违反C++语义的行为（如上面代码例子）。

 

另外，如果父类的虚函数是private或是protected的，但这些非public的虚函数同样会存在于虚函数表中，所以，我们同样可以使用访问虚函数表的方式来访问这些non-public的虚函数，这是很容易做到的。

 

 

 
 
 
 
 
参考文档：
http://blog.csdn.net/haoel/article/details/1948051
 

C++多态

原文：https://www.cnblogs.com/chenny7/p/8523533.html
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