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c++中的多态机制

2020-04-04 16:01:02来源：博客园阅读 ()

c++中的多态机制

静态联编与动态联编、赋值兼容性原则、多态原理详解、虚析构函数、纯虚函数、抽象类、接口

背景介绍

　　虚函数重写：子类重新定义父类中有相同返回值、名称和参数的虚函数；

　　非虚函重写：子类重新定义父类中有相同名称和参数的非虚函数；

　　父子间的赋值兼容：子类对象可以当作父类对象使用（兼容性）；具体表现为：

　　　1. 子类对象可以直接赋值给父类对象；

　　　2. 子类对象可以直接初始化父类对象；

　　　3. 父类指针可以直接指向子类对象；

　　　4. 父类引用可以直接引用子类对象；

　　当发生赋值兼容时，子类对象退化为父类对象，只能访问父类中定义的成员，可以直接访问被子类覆盖的同名成员；

 1 // 在赋值兼容原则中，子类对象退化为父类对象，子类是特殊的父类；
 2 #include <iostream>
 3 #include <string>
 4 
 5 using namespace std;
 6 
 7 class Parent
 8 {
 9 public:
10     int mi;
11 
12     void add(int i)
13     {
14         mi += i;
15     }
16     
17     void add(int a, int b)
18     {
19         mi += (a + b);
20     }
21 };
22 
23 class Child : public Parent
24 {
25 public:
26     int mi;
27     
28     void add(int x, int y, int z)
29     {
30         mi += (x + y + z);
31     }
32 };
33 
34 int main()
35 {
36     Parent p;
37     Child c;
38     
39     c.mi = 100;
40     p = c;             // p.mi = 0; 子类对象退化为父类对象
41     Parent p1(c);   // p1.mi = 0; 同上
42     Parent& rp = c;
43     Parent* pp = &c;
44     
45     rp.add(5);             
46     pp->add(10, 20);        
47     
48     cout << "p.mi: " << p.mi <<endl;                           // p.mi: 0; 
49     cout << "p1.mi: " << p1.mi <<endl;                       // p1.mi: 0;  
50     cout << "c.Parent::mi: " << c.Parent::mi <<endl;    // c.Parent::mi: 35
51     cout << "rp.mi: " << rp.mi <<endl;                        // rp.mi: 35
52     cout << "pp->mi: " << pp->mi <<endl;                 // pp->mi: 35
53     
54     return 0;
55 }

赋值兼容测试

　　在面向对象的继承关系中，我们了解到子类可以拥有父类中的所有属性与行为；但是，有时父类中提供的方法并不能满足现有的需求，所以，我们必须在子类中重写父类中已有的方法，来满足当前的需求。此时尽管我们已经实现了函数重写（这里是非虚函数重写），但是在类型兼容性原则中也不能出现我们期待的结果（不能根据指针/引用所指向的实际对象类型去调到对应的重写函数）。接下来我们用代码来复现这个情景：

 1 #include <iostream>
 2 #include <string>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class Parent
 7 {
 8 public:    
 9     void print()
10     {
11         cout << "I'm Parent." << endl;
12     }
13 };
14 
15 class Child : public Parent
16 {
17 public:    
18     void print()
19     {
20         cout << "I'm Child." << endl;
21     }
22 };
23 
24 void how_to_print(Parent* p)
25 {
26     p->print();
27 }
28 
29 int main()
30 {
31     Parent p;
32     Child c;
33     
34     how_to_print(&p);   // I'm Parent    // Expected to print: I'm Parent.
35     how_to_print(&c);   // I'm Parent    // Expected to print: I'm Child.
36     
37     return 0;
38 }

非虚函数重写与赋值兼容的问题

　　为什么会出现上述现象呢？（在赋值兼容中，父类指针/引用指向子类对象时为何不能调用子类重写函数？）

　　问题分析：在编译期间，编译器只能根据指针的类型判断所指向的对象；根据赋值兼容，编译器认为父类指针指向的是父类对象；因此，编译结果只可能是调用父类中定义的同名函数。

　　在编译这个函数的时候，编译器不可能知道指针p究竟指向了什么。但是编译器没有理由报错，于是，编译器认为最安全的做法是调用父类的print函数。因为父类和子类肯定都有相同的print函数。

　　要想解决这个问题，就需要使用c++中的多态。那么如何实现c++中的多态呢？请看下面详解：

多态介绍

1、什么是多态

　　在现实生活中，多态是同一个事物在不同场景下的多种形态。

　　在面向对象中，多态是指通过基类的指针或者引用，在运行时动态调用实际绑定对象函数的行为。与之相对应的编译时绑定函数称为静态绑定。

　　多态是设计模式的基础，多态是框架的基础。

2、多态的分类

　　静态多态是编译器在编译期间完成的，编译器会根据实参类型来选择调用合适的函数，如果有合适的函数就调用，没有的话就会发出警告或者报错；

　　动态多态是在程序运行时根据基类的引用（指针）指向的对象来确定自己具体该调用哪一个类的虚函数。

3、动态多态成立的条件

　由之前出现的问题可知，编译器的做法并不符合我们的期望（因为编译器是根据父类指针的类型去父类中调用被重写的函数）；但是，在面向对象的多态中，我们期望的行为是 根据实际的对象类型来判断如何调用重写函数（虚函数）；

　　1. 即当父类指针（引用）指向父类对象时，就调用父类中定义的虚函数；

　　2. 即当父类指针（引用）指向子类对象时，就调用子类中定义的虚函数；

　　这种多态行为的表现效果为：同样的调用语句在实际运行时有多种不同的表现形态。

　　那么在c++中，如何实现这种表现效果呢？（实现多态的条件）

　　1. 要有继承

　　2. 要有虚函数重写（被 virtual 声明的函数叫虚函数）

　　3. 要有父类指针（父类引用）指向子类对象

4、静态联编和动态联编

　　静态联编：在程序的编译期间就能确定具体的函数调用；如函数重载，非虚函数重写；

　　动态联编：在程序实际运行后才能确定具体的函数调用；如虚函数重写，switch 语句和 if 语句；

 1 #include <iostream>
 2 #include <string>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class Parent
 7 {
 8 public:
 9     virtual void func()
10     {
11         cout << "Parent::void func()" << endl;
12     }
13     
14     virtual void func(int i)
15     {
16         cout << "Parent::void func(int i) : " << i << endl;
17     }
18     
19     virtual void func(int i, int j)
20     {
21         cout << "Parent::void func(int i, int j) : " << "(" << i << ", " << j << ")" << endl;
22     }
23 };
24 
25 class Child : public Parent
26 {
27 public:
28     void func(int i, int j)
29     {
30         cout << "Child::void func(int i, int j) : " << i + j << endl;
31     }
32     
33     void func(int i, int j, int k)
34     {
35         cout << "Child::void func(int i, int j, int k) : " << i + j + k << endl;
36     }
37 };
38 
39 void run(Parent* p)
40 {
41     p->func(1, 2);     // 展现多态的特性
42                        // 动态联编
43 }
44 
45 
46 int main()
47 {
48     Parent p;
49     
50     p.func();         // 静态联编
51     p.func(1);        // 静态联编
52     p.func(1, 2);     // 静态联编
53     
54     cout << endl;
55     
56     Child c;
57     
58     c.func(1, 2);     // 静态联编
59     
60     cout << endl;
61     
62     run(&p);
63     run(&c);
64     
65     return 0;
66 }
67 /*
68     Parent::void func()
69     Parent::void func(int i) : 1
70     Parent::void func(int i, int j) : (1, 2)
71 
72     Child::void func(int i, int j) : 3
73 
74     Parent::void func(int i, int j) : (1, 2)
75     Child::void func(int i, int j) : 3
76 */

静态联编与动态联编的案列

5、动态多态的实现原理

　　虚函数表与vptr指针

　　1. 当类中声明虚函数时，编译器会在类中生成一个虚函数表；

　　2. 虚函数表是一个存储类成员函数指针的数据结构；

　　3. 虚函数表是由编译器自动生成与维护的；

　　4. virtual成员函数会被编译器放入虚函数表中；

　　5. 存在虚函数时，每个对象中都有一个指向虚函数表的指针(vptr指针)。

　　多态执行过程：

　　1. 在类中，用 virtual 声明一个函数时，就会在这个类中对应产生一张虚函数表，将虚函数存放到该表中；

2. 用这个类创建对象时，就会产生一个 vptr指针，这个vptr指针会指向对应的虚函数表；

3. 在多态调用时, vptr指针就会根据这个对象在对应类的虚函数表中查找被调用的函数，从而找到函数的入口地址；

》如果这个对象是子类的对象，那么vptr指针就会在子类的虚函数表中查找被调用的函数

》如果这个对象是父类的对象，那么vptr指针就会在父类的虚函数表中查找被调用的函数

　　注：出于效率考虑，没有必要将所有成员函数都声明为虚函数。

　　如何证明vptr指针的存在？

 1 #include <iostream>
 2 #include <string>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class Demo1
 7 {
 8 private:
 9     int mi; // 4 bytes
10     int mj; // 4 bytes
11 public:
12     virtual void print(){}  // 由于虚函数的存在，在实例化类对象时，就会产生1个 vptr指针
13 };
14 
15 class Demo2
16 {
17 private:
18     int mi; // 4 bytes
19     int mj; // 4 bytes
20 public:
21     void print(){}
22 };
23 
24 int main()
25 {
26     cout << "sizeof(Demo1) = " << sizeof(Demo1) << " bytes" << endl; // sizeof(Demo1) = 16 bytes
27     cout << "sizeof(Demo2) = " << sizeof(Demo2) << " bytes" << endl; // sizeof(Demo2) = 8 bytes
28     
29     return 0;
30 }
31 
32 // 64bit(OS) 指针占 8 bytes
33 // 32bit(OS) 指针占 4 bytes

vptr指针的证明

　　显然，在普通的类中，类的大小 == 成员变量的大小；在有虚函数的类中，类的大小 == 成员变量的大小 + vptr指针大小。

6、虚析构函数

　　定义：用 virtual 关键字修饰析构函数，称为虚析构函数；

　　格式：virtual ~ClassName(){ ... }

　　意义：虚析构函数用于指引 delete 运算符正确析构动态对象；（当父类指针指向子类对象时，通过父类指针去释放所有子类的内存空间）

　　应用场景：在赋值兼容性原则中（父类指针指向子类对象），通过 delete 父类指针 去释放所有子类的内存空间。（动态多态调用：通过父类指针所指向的实际对象去判断如何调用 delete 运算符）

　　！！：建议在设计基类时将析构函数声明为虚函数，为的是避免内存泄漏，否则有可能会造成派生类内存泄漏问题。
　　案列分析

 1 #include <iostream>
 2 #include <cstring>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class Base
 7 {
 8 protected:
 9     char *name;
10 public:
11     Base()
12     {
13         name = new char[20];
14         strcpy(name, "Base()");
15         cout <<this << "  " << name << endl;
16     }
17     
18     ~Base()
19     {
20         cout << this << "  ~Base()" << endl;
21         delete[] name;
22     }
23 };
24 
25 
26 class Derived : public Base
27 {
28 private:
29     int *value;
30 public:
31     Derived()
32     {
33         strcpy(name, "Derived()");
34         value = new int(strlen(name));
35         cout << this << "  " << name << "  " << *value <<  endl;
36     }
37     
38     ~Derived()
39     {
40         cout << this << "  ~Derived()" << endl;
41         delete value;
42     }
43 };
44 
45 
46 int main()
47 {    
48     cout << "在赋值兼容中，关于 子类对象存在内存泄漏的测试" << endl;
49     
50     Base* bp = new Derived();
51     cout << bp << endl;
52     // ...
53     delete bp;  // 虽然是父类指针，但析构的是子类资源
54 
55     return 0;
56 }
57 
58 /**
59  * 在赋值兼容中，关于 子类对象存在内存泄漏的测试
60  * 0x7a1030  Base()
61  * 0x7a1030  Derived()  9
62  * 0x7a1030
63  * 0x7a1030  ~Base()
64  */

赋值兼容中，子类内存泄漏案列

 1 #include <iostream>
 2 #include <cstring>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class Base
 7 {
 8 protected:
 9     char *name;
10 public:
11     Base()
12     {
13         name = new char[20];
14         strcpy(name, "Base()");
15         cout <<this << "  " << name << endl;
16     }
17     
18     virtual ~Base()
19     {
20         cout << this << "  ~Base()" << endl;
21         delete[] name;
22     }
23 };
24 
25 
26 class Derived : public Base
27 {
28 private:
29     int *value;
30 public:
31     Derived()
32     {
33         strcpy(name, "Derived()");
34         value = new int(strlen(name));
35         cout << this << "  " << name << "  " << *value <<  endl;
36     }
37     
38     virtual ~Derived()
39     {
40         cout << this << "  ~Derived()" << endl;
41         delete value;
42     }
43 };
44 
45 
46 int main()
47 {
48     //Derived *dp = new Derived();
49     //delete dp; // 直接通过子类对象释放资源不需要 virtual 关键字
50     
51     cout << "在赋值兼容中，虚析构函数的测试" << endl;
52     
53     Base* bp = new Derived();
54     cout << bp << endl;
55     // ...
56     delete bp;  // 动态多态发生
57 
58     return 0;
59 }
60 
61 /**
62  * 在赋值兼容中，虚析构函数的测试
63  * 0x19b1030  Base()
64  * 0x19b1030  Derived()  9
65  * 0x19b1030
66  * 0x19b1030  ~Derived()
67  * 0x19b1030  ~Base()
68  */

虚析构函数解决子类内存泄漏案列

　　两个案列的区别：第1个案列只是普通的析构函数；第2个案列是虚析构函数。

7、关于虚函数的思考题

　　1. 构造函数可以成为虚函数吗？--- 不可以

　　不可以。因为在构造函数执行结束后，虚函数表指针才会被正确的初始化。

　　　在c++的多态中，虚函数表是由编译器自动生成与维护的，虚函数表指针是由构造函数初始化完成的，即构造函数相当于是虚函数的入口点，负责调用虚函数的前期工作；在构造函数执行的过程中，虚函数表指针有可能未被正确的初始化；由于在不同的c++编译器中，虚函数表与虚函数表指针的实现有所不同，所以禁止将构造函数声明为虚函数。

　　2. 析造函数可以成为虚函数吗？--- 虚函数，且发生多态

　　可以，并且产生动态多态。因为析构函数是在对象销毁之前被调用，即在对象销毁前 虚函数表指针是正确指向对应的虚函数表。

　　3. 构造函数中可以调用虚函数发生多态吗？--- 不能发生多态

　　　构造函数中可以调用虚函数，但是不可能发生多态行为，因为在构造函数执行时，虚函数表指针未被正确初始化。

　　4. 析构函数中可以调用虚函数发生多态吗？--- 不能发生多态

　　析构函数中可以调用虚函数，但是不可能发生多态行为，因为在析构函数执行时,虚函数表指针已经被销毁。　　　

 1 #include <iostream>
 2 #include <string>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class Base
 7 {
 8 public:
 9     Base()
10     {
11         cout << "Base()" << endl;
12         
13         func();
14     }
15     
16     virtual void func() 
17     {
18         cout << "Base::func()" << endl;
19     }
20     
21     virtual ~Base()
22     {
23         func();
24         
25         cout << "~Base()" << endl;
26     }
27 };
28 
29 
30 class Derived : public Base
31 {
32 public:
33     Derived()
34     {
35         cout << "Derived()" << endl;
36         
37         func();
38     }
39     
40     virtual void func()
41     {
42         cout << "Derived::func()" << endl;
43     }
44     
45     virtual ~Derived()
46     {
47         func();
48         
49         cout << "~Derived()" << endl;
50     }
51 };
52 
53 void test()
54 {
55     Derived d;
56 }
57 
58 int main()
59 {   
60     //栈空间
61     test();
62 
63     // 堆空间
64     //Base* p = new Derived();    
65     //delete p; // 多态发生（指针p指向子类对象，并且又有虚函数重写）
66     
67     return 0;
68 }
69 /*
70 Base()
71 Base::func()
72 Derived()
73 Derived::func()
74 Derived::func()
75 ~Derived()
76 Base::func()
77 ~Base()
78 */

构造与析构中调用虚函数案列

　　结论：在构造函数与析构函数中调用虚函数不能发生多态行为，只调用当前类中定义的函数版本! !

8、纯虚函数、抽象类、接口

　　1. 定义 --- 以案例的方式说明

　　想必大家很熟悉，对于任何一个普通类来说都可以实例化出多个对象，也就是每个对象都可以用对应的类来描述，并且这些对象在现实生活中都能找到各自的原型；比如现在有一个“狗类??”，我们就可以用这个“狗类??”实例化出很多只“狗??”。但是，在面向对象分析时，还会发现一些抽象的概念，它描述的是一类事物，并不能反映一个具体的实物，我们把这种包含抽象概念的现象称为抽象类。关于抽象类的例子有很多，比如：如何计算一个“图形”的面积；什么“宠物”最可爱等等。了解了抽象类之后，那么什么是纯虚函数呢？我们现在就以如何计算一个“图形”的面积这个抽象类案列说明问题；在这个例子中有2个抽象概念，分别是 “图形” 与 “面积”，即什么样“图形” --- 不知道，如何”求面积“或者“面积公式”是什么 --- 也不知道；在这里，我们可以把”图形“看成是抽象类的类名，”面积“看成是抽象类的成员函数，因为这个成员函数无法实现，只是让外界知道有这么一回事，此处的成员函数就可以看成纯虚函数，同时，此处的抽象类也可以看成是接口。

　　2. 特点

　　纯虚函数：

　　（1）只在基类中声明虚函数，并不需要在基类中定义函数体，语法格式：virtual void funtion1()=0；

　　（2）“=0”是告诉编译器当前是声明纯虚函数，因此并不需要定义函数体。

　　（3）纯虚函数被实现后成为虚函数；

　　（4）基类中的纯虚函数就是个接口，纯虚函数不能被调用，它的存在只是为了在派生类中重新实现该方法；

　　（5）c++ 规定虚析构函数必须包含声明与实现（在对象销毁前，基类中的析构函数最后一个被调用，若此时没有对应的函数实现，显然是不行的）；

　　抽象类：

　　（1）用于表示现实世界中的抽象概念；

　　（2）是一种只能定义类型，而不能创建对象的类；但是，可以有抽象类指针或接口类指针，当它指向子类对象时就会发生多态；

　　（3）抽象类只能用作父类被继承，子类必须实现纯虚函数的具体功能；

　　（4）c++语言中没有抽象类的概念，但是可以通过纯虚函数实现抽象类；

　　（5）一个c++类中存在纯虚函数就成为了抽象类；（判断条件）

　　（6）如果子类没有实现纯虚函数，则子类成为抽象类。

　　接口：

　　（1）类中没有定义任何的成员变量；

　　（2）所有的成员函数都是公有的纯虚函数；（判断条件 1 + 2）

　　（3）接口是一种特殊的抽象类；

　　　　　　一个类全是纯虚函数就是接口；

　　　　　　一个类部分是纯虚函数就是抽象类；

　　3. 引入原因

　　（1）为了方便使用多态特性，我们常常需要在基类中声明纯虚函数。

　　（2）在很多情况下，基类本身生成对象是不合情理的。例如，动物作为一个基类可以派生出老虎、孔雀等子类，但动物本身生成对象明显不合常理。

　　　　所以，为了解决上述问题，引入了纯虚函数的概念；将基类的成员函数声明为纯虚函数，则编译器要求必须在派生类中重写该成员函数以实现多态性。

 1 #include <iostream>
 2 #include <typeinfo>
 3 
 4 using namespace std;
 5 
 6 class Shape
 7 {
 8 public:
 9     virtual double area() = 0;
10 };
11 
12 class Rect : public Shape
13 {
14     int ma;
15     int mb;
16 public:
17     Rect(int a, int b)
18     {
19         ma = a;
20         mb = b;
21     }
22     double area()
23     {
24         return ma * mb;
25     }
26 };
27 
28 class Circle : public Shape
29 {
30     int mr;
31 public:
32     Circle(int r)
33     {
34         mr = r;
35     }
36     double area()
37     {
38         return 3.14 * mr * mr;
39     }
40 };
41 
42 void area(Shape* p)
43 {
44     const type_info &tis = typeid(*p);
45     
46     if( tis == typeid(Rect) )
47     {
48         Rect *rect = dynamic_cast<Rect*>(p);
49         
50         cout << "the area of the Rect : " << rect->area() << endl;
51     }
52     
53     if( tis == typeid(Circle) )
54     {
55         Circle *circle = dynamic_cast<Circle*>(p);
56         
57         cout << "the area of the Circle : " << circle->area() << endl;
58     }
59     
60 }
61 
62 int main()
63 {
64     Rect rect(1, 2);
65     Circle circle(10);
66     
67     area(&rect);
68     area(&circle);
69     
70     return 0;
71 }
72 /**
73  * 运行结果：
74  * the area of the Rect : 2
75  * the area of the Circle : 314
76  */