C++中的多態(tài)如何實(shí)現(xiàn)

這篇文章主要介紹“C++中的多態(tài)如何實(shí)現(xiàn)”，在日常操作中，相信很多人在C++中的多態(tài)如何實(shí)現(xiàn)問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”C++中的多態(tài)如何實(shí)現(xiàn)”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學(xué)習(xí)吧！

多態(tài)概念引入

多態(tài)字面意思就是多種形態(tài)。

我們先來想一想在日常生活中的多態(tài)例子：買票時(shí)，成人買票全價(jià)，如果是學(xué)生那么半價(jià)，如果是軍人，就可以優(yōu)先買票。不同的人買票會有不同的實(shí)現(xiàn)方法，這就是多態(tài)。

1、C++中多態(tài)的實(shí)現(xiàn)

1.1 多態(tài)的構(gòu)成條件

C++的多態(tài)必須滿足兩個(gè)條件：

1 必須通過基類的指針或者引用調(diào)用虛函數(shù)

2 被調(diào)用的函數(shù)是虛函數(shù)，且必須完成對基類虛函數(shù)的重寫

我們來看看具體實(shí)現(xiàn)。

class Person //成人
{
  public:
  virtual void fun()
   {
       cout << "全價(jià)票" << endl; //成人票全價(jià)
   }
};
class Student : public Person //學(xué)生
{
   public:
   virtual void fun() //子類完成對父類虛函數(shù)的重寫
   {
       cout << "半價(jià)票" << endl;//學(xué)生票半價(jià)
   }
};
void BuyTicket(Person* p)
{
   p->fun();
}

int main()
{
   Student st;
   Person p;
   BuyTicket(&st);//子類對象切片過去
   BuyTicket(&p);//父類對象傳地址
}

調(diào)用的兩個(gè)BuyTicket() 答案是什么呢？

如果不滿足多態(tài)呢？

這說明了很重要的一點(diǎn)，如果滿足多態(tài)，編譯器會調(diào)用指針指向?qū)ο蟮奶摵瘮?shù)，而與指針的類型無關(guān)。如果不滿足多態(tài)，編譯器會直接根據(jù)指針的類型去調(diào)用虛函數(shù)。

1.2 虛函數(shù)

用virtual修飾的關(guān)鍵字就是虛函數(shù)。

虛函數(shù)只能是類中非靜態(tài)的成員函數(shù)。

virtual void fun() //error！ 在類外面的函數(shù)不能是虛函數(shù)
{}

1.3虛函數(shù)的重寫

子類和父類中的虛函數(shù)擁有相同的名字，返回值，參數(shù)列表，那么稱子類中的虛函數(shù)重寫了父類的虛函數(shù)，或者叫做覆蓋。

class Person
{
  public:
   virtual void fun()
   {
      cout << "Person->fun()" << endl;
   }
};
class Student
{
   public:
   //子類重寫的虛函數(shù)可以不加virtual，因?yàn)樽宇惱^承了父類的虛函數(shù)，
   //編譯器會認(rèn)為你是想要重寫虛函數(shù)。
   //void fun() 可以直接這樣，也對，但不推薦。           
   virtual void fun()//子類重寫父類虛函數(shù)
   {
     cout << "Student->fun()" << endl;
   }
};

虛函數(shù)重寫的兩個(gè)例外：

協(xié)變：

子類的虛函數(shù)和父類的虛函數(shù)的返回值可以不同，也能構(gòu)成重載。但需要子類的返回值是一個(gè)子類的指針或者引用，父類的返回值是一個(gè)父類的指針或者引用，且返回值代表的兩個(gè)類也成繼承關(guān)系。這個(gè)叫做協(xié)變。

class Person
{
  public:
   virtual Person* fun()//返回父類指針
   {
      cout << "Person->fun()" << endl;
      return nullptr;
   }
};
class Student
{
   public:
            //返回子類指針，雖然返回值不同，也構(gòu)成重寫
   virtual Student* fun()//子類重寫父類虛函數(shù)
   {
     cout << "Student->fun()" << endl;
     return nullptr;
   }
};

也可以這樣，也是協(xié)變，

class A
{};
class B : public A
{};   //B繼承A
class Person
{
  public:
   virtual A* fun()//返回A類指針
   {
      return nullptr;
   }
};
class Student
{
   public:
            //返回B類指針，雖然返回值不同，也構(gòu)成重寫
   virtual B* fun()//子類重寫父類虛函數(shù)
   {
     return nullptr;
   }
};

2.析構(gòu)函數(shù)的重寫

析構(gòu)函數(shù)是否需要重寫呢？

讓我們來考慮這樣一種情況，

//B繼承了A，他們的析構(gòu)函數(shù)沒有重寫。
class A
{
  public:
  ~A()
  {
     cout << "~A()" << endl;
  }
};
class B : public A
{
  public:
  ~B()
  {
    cout << "~B()" << endl;
  }
};

 A* a = new B; //把B的對象切片給A類型的指針。
 delete a; //調(diào)用的是誰的析構(gòu)函數(shù)呢？你希望調(diào)用誰的呢？

顯然我們希望調(diào)用B的析構(gòu)函數(shù)，因?yàn)槲覀兿Ｍ鰳?gòu)函數(shù)的調(diào)用跟指針指向的對象有關(guān)，而跟指針的類型無關(guān)。這不就是多態(tài)嗎？但是結(jié)果卻調(diào)用了A的析構(gòu)函數(shù)。

所以析構(gòu)函數(shù)要實(shí)現(xiàn)多態(tài)。But，析構(gòu)函數(shù)名字天生不一樣，怎么實(shí)現(xiàn)多態(tài)？

實(shí)際上，析構(gòu)函數(shù)被編譯器全部換成了Destructor，所以我們加上virtual就可以。

只要父類的析構(gòu)函數(shù)用virtual修飾，無論子類是否有virtual，都構(gòu)成析構(gòu)。

這也解釋了為什么子類不寫virtual可以構(gòu)成重寫，因?yàn)榫幾g器怕你忘記析構(gòu)。

class A
{
  public:
 virtual  ~A()
  {
     cout << "~A()" << endl;
  }
};
class B : public A
{
  public:
  virtual ~B()
  {
    cout << "~B()" << endl;
  }
};

1.4 C++11 override && final

C++11新增了兩個(gè)關(guān)鍵字。用final修飾的虛函數(shù)無法重寫。用final修飾的類無法被繼承。final像這個(gè)單詞的意思一樣，這就是最終的版本，不用再更新了。

class A final //A類無法被繼承
{
public:
  virtual void fun() final //fun函數(shù)無法被重寫
  {}
};

class B : public A //error
{
  public:
    virtual void fun() //error
    {
     cout << endl;
    }
};

被override修飾的虛函數(shù)，編譯器會檢查這個(gè)虛函數(shù)是否重寫。如果沒有重寫，編譯器會報(bào)錯(cuò)。

class A  
{
public:
  virtual void fun() 
  {}
};

class B : public A 
{
  public:
  //這里我想重寫fun，但寫成了fun1，因?yàn)橛衞verride,編譯器會報(bào)錯(cuò)。
    virtual void fun1() override
    {
     cout << endl;
    }
};

1.5 重載，覆蓋(重寫)，重定義（隱藏）

這里我們來理一理這三個(gè)概念。

1.重載：重載函數(shù)處在同一作用域。

函數(shù)名相同，函數(shù)列表必須不同。

2.覆蓋：必須是虛函數(shù)，且處在父類和子類中。

返回值，參數(shù)列表，函數(shù)名必須完全相同（協(xié)變除外）。

3.重定義：子類和父類的成員變量相同或者函數(shù)名相同，

子類隱藏父類的對應(yīng)成員。

子類和父類的同名函數(shù)不是重定義就是重寫。

2、抽象類

2.1 抽象類的概念

再虛函數(shù)的后面加上=0就是純虛函數(shù)，有純虛函數(shù)的類就是抽象類，也叫做接口類。抽象類無法實(shí)例化出對象。抽象類的子類也無法實(shí)例化出對象，除非重寫父類的虛函數(shù)。

class Car
{
 public:
    virtual void fun() = 0; //不用實(shí)現(xiàn)，只寫接口就行。
}

這并不意味著純虛函數(shù)不能寫實(shí)現(xiàn)，只是我們大部分情況下不寫。

那么虛函數(shù)有什么用呢？

1，強(qiáng)制子類重寫虛函數(shù)，完成多態(tài)。

2，表示某些抽象類。

2.2 接口繼承和實(shí)現(xiàn)繼承

普通函數(shù)的繼承就是實(shí)現(xiàn)繼承，虛函數(shù)的繼承就是接口繼承。子類繼承了函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，可以直接使用。虛函數(shù)重寫后只會繼承接口，重寫實(shí)現(xiàn)。所以如果不用多態(tài)，不要把函數(shù)寫成虛函數(shù)。

純虛函數(shù)就體現(xiàn)了接口繼承。下面我們來一道題，展現(xiàn)一下接口繼承。

class A
{
   public:
   virtual void fun(int val = 0)//父類虛函數(shù)
   {
     cout <<"A->val = "<< val << endl;
   }
   void Fun()
   {
      fun();//傳過來一個(gè)子類指針調(diào)用fun()
   }
};
class B: public A
{
   public:
    virtual void fun(int val = 1)//子類虛函數(shù)
    {
       cout << "B->val = " << val << endl;
    }
};

B b;
A* a = &b;
a->Fun();

結(jié)果是什么呢？

B->val = 0

子類對象切片給父類指針，傳給Fun函數(shù)，滿足多態(tài)，會去調(diào)用子類的fun函數(shù)，但是子類的虛函數(shù)繼承了父類的接口，所以val是父類的0.

3、 多態(tài)的原理

3.1 虛函數(shù)表

多態(tài)是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？

先來一道題目，

class A
{
  public:
   virtual void fun()
   {}
   protected:
   int _a;
};

sizeof(A)是多少？是4嗎？NO，NO，NO！

答案是8個(gè)字節(jié)。

我們定義一個(gè)A類型的對象a，打開調(diào)試窗口，發(fā)現(xiàn)a的內(nèi)容如下

我們發(fā)現(xiàn)除了成員變量_a以外，還多了一個(gè)指針。這個(gè)指針是不準(zhǔn)確的，實(shí)際上應(yīng)該是_vftptr(virtual function table pointer),即虛函數(shù)表指針，簡稱虛表指針。在計(jì)算類大小的時(shí)候要加上這個(gè)指針的大小。那么虛表是什么呢？虛表就是存放虛函數(shù)的地址地方。每當(dāng)我們?nèi)フ{(diào)用虛函數(shù)，編譯器就會通過虛表指針去虛表里面查找。

下面我們用一個(gè)小栗子來說明虛函數(shù)的使用會用指針。

class A
{
  public:
  void fun1()
  {}
  virtual void fun2()
  {}
};

A* ap = nullptr;
ap->fun1(); //調(diào)用成功，因?yàn)檫@是普通函數(shù)的調(diào)用
ap->fun2(); //調(diào)用失敗，虛函數(shù)需要對指針操作，無法操作空指針。

我們先來看看繼承的虛函數(shù)表。

class A
{
  public:
   virtual void fun1()
   {}
   virtual void fun2()
   {}
};
class B : public A
{
 public:
   virtual void fun1()//重寫父類虛函數(shù)
   {}
   virtual void fun3()
   {}
};
A a;
B b; //我們通過調(diào)試看看對象a和b的內(nèi)存模型。

子類跟父類一樣有一個(gè)虛表指針。

子類的虛函數(shù)表一部分繼承自父類。如果重寫了虛函數(shù)，那么子類的虛函數(shù)會在虛表上覆蓋父類的虛函數(shù)。

本質(zhì)上虛函數(shù)表是一個(gè)虛函數(shù)指針數(shù)組，最后一個(gè)元素是nullptr，代表虛表的結(jié)束。

所以，如果繼承了虛函數(shù)，那么

1 子類先拷貝一份父類虛表，然后用一個(gè)虛表指針指向這個(gè)虛表。

2 如果有虛函數(shù)重寫，那么在子類的虛表上用子類的虛函數(shù)覆蓋。

3 子類新增的虛函數(shù)按其在子類中的聲明次序增加到子類虛表的最后。

下面來一道面試題：

虛函數(shù)存在哪里？

虛函數(shù)表存在哪里？

虛函數(shù)是帶有virtual的函數(shù)，虛函數(shù)表是存放虛函數(shù)地址的指針數(shù)組，虛函數(shù)表指針指向這個(gè)數(shù)組。對象中存的是虛函數(shù)指針，不是虛函數(shù)表。

虛函數(shù)和普通函數(shù)一樣存在代碼段。

那么虛函數(shù)表存在哪里呢？

我們創(chuàng)建兩個(gè)A對象，發(fā)現(xiàn)他們的虛函數(shù)指針相同，這說明他們的虛函數(shù)表屬于類，不屬于對象。所以虛函數(shù)表應(yīng)該存在共有區(qū)。

堆？堆需要動態(tài)開辟，動態(tài)銷毀，不合適。

靜態(tài)區(qū)？靜態(tài)區(qū)存放全局變量和靜態(tài)變量不合適。

所以綜合考慮，把虛函數(shù)表也存放在了代碼段。

3.2多態(tài)的原理

我們現(xiàn)在來看看多態(tài)的原理。

class Person //成人
{
  public:
  virtual void fun()
   {
       cout << "全價(jià)票" << endl; //成人票全價(jià)
   }
};
class Student : public Person //學(xué)生
{
   public:
   virtual void fun() //子類完成對父類虛函數(shù)的重寫
   {
       cout << "半價(jià)票" << endl;//學(xué)生票半價(jià)
   }
};
void BuyTicket(Person* p)
{
   p->fun();
}

這樣就實(shí)現(xiàn)了不同對象去調(diào)用同一函數(shù)，展現(xiàn)出不同的形態(tài)。

滿足多態(tài)的函數(shù)調(diào)用是程序運(yùn)行是去對象的虛表查找的，而虛表是在編譯時(shí)確定的。

普通函數(shù)的調(diào)用是編譯時(shí)就確定的。

3.3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，也稱為靜態(tài)多態(tài)，比如：函數(shù)重載

2.動態(tài)綁定又稱后期綁定(晚綁定)，是在程序運(yùn)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)，也稱為動態(tài)多態(tài)。

我們說的多態(tài)一般是指動態(tài)多態(tài)。

這里我附上一個(gè)有意思的問題：

就是在子類已經(jīng)覆蓋了父類的虛函數(shù)的情況下，為什么子類還是可以調(diào)用“被覆蓋”的父類的虛函數(shù)呢？

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
	virtual void func() {
		cout << "Base func\n";
	}
};

class Son : public Base {
public:
	void func() {
		Base::func();
		cout << "Son func\n";
	}
};

int main()
{
	Son b;
	b.func();
	return 0;
}

輸出：Base func

Son func

這是C++提供的一個(gè)回避虛函數(shù)的機(jī)制

通過加作用域（正如你所嘗試的），使得函數(shù)在編譯時(shí)就綁定。

(這題來自：虛函數(shù))

4 、繼承中的虛函數(shù)表

4.1 單繼承中的虛函數(shù)表

這里DV繼承BV。

class BV
{
public:
	virtual void Fun1()
	{
		cout << "BV->Fun1()" << endl;
	}
	virtual void Fun2()
	{
		cout << "BV->Fun2()" << endl;
	}
};
class DV : public BV
{
public:
	virtual void Fun1()
	{
		cout << "DV->Fun1()" << endl;
	}
	virtual void Fun3()
	{
		cout << "DV->Fun3()" << endl;
	}
	virtual void Fun4()
	{
		cout << "DV->Fun4()" << endl;
	}
};

我們想個(gè)辦法打印虛表，

typedef void(*V_PTR)(); //typedef一下函數(shù)指針，相當(dāng)于把返回值為void型的
//函數(shù)指針定義成 V_PTR.
void PrintPFTable(V_PTR* table)//打印虛函數(shù)表
{  //因?yàn)樘摫碜詈笠粋€(gè)為nllptr，我們可以利用這個(gè)打印虛表。
	for (size_t i = 0; table[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf("table[%d] : %p->", i, table[i]);
		V_PTR f = table[i];
		f();
		cout << endl;
	}
}

BV b;
DV d;
	      // 取出b、d對象的前四個(gè)字節(jié)，就是虛表的指針，
	      //前面我們說了虛函數(shù)表本質(zhì)是一個(gè)存虛函數(shù)指針的指針數(shù)組，
	      //這個(gè)數(shù)組最后面放了一個(gè)nullptr
     // 1.先取b的地址，強(qiáng)轉(zhuǎn)成一個(gè)int*的指針
     // 2.再解引用取值，就取到了b對象前4個(gè)字節(jié)的值，這個(gè)值就是指向虛表的指針
     // 3.再強(qiáng)轉(zhuǎn)成V_PTR*,這是我們打印虛表函數(shù)的類型。
     // 4.虛表指針傳給PrintPFTable函數(shù)，打印虛表
     // 5,有時(shí)候編譯器資源釋放不完全，我們需要清理一下，不然會打印多余結(jié)果。
	PrintPFTable((V_PTR*)(*(int*)&b));
	PrintPFTable((V_PTR*)(*(int*)&d));

結(jié)果如下：

4.2 多繼承中的虛函數(shù)表

我們先來看一看一道題目，

class A
{
public:
 virtual void fun1()
 {
   cout << "A->fun1()" << endl;
 }
 protected:
 int _a;
};
class B
{
public:
 virtual void fun1()
 {
   cout << "B->fun1()" << endl;
 } 
 protected:
  int _b;
};
class C : public A, public B
{
  public:
  virtual void fun1()
  {
    cout << "C->fun1()" << endl;
  }
  protected:
  int _c;
};

C c;
//sizeof(c) 是多少呢？

sizeof( c )的大小是多少呢？是16嗎？一個(gè)虛表指針，三個(gè)lnt，考慮內(nèi)存對齊后確實(shí)是16.但是結(jié)果是20.

我們來看看內(nèi)存模型。在VS下，c竟然有兩個(gè)虛指針

每個(gè)虛表里都有一個(gè)fun1函數(shù)。

所以C的內(nèi)存模型應(yīng)該是這樣的，

而且如果C自己有多余的虛函數(shù)，會按照繼承順序補(bǔ)在第一張?zhí)摫砗竺妗?/p>

下面還有一個(gè)問題，可以看到C::fun1在兩張?zhí)摫砩隙几采w了，但是它們的地址不一樣，是不是說在代碼段有兩段相同的C::fun1呢？

不是的。實(shí)際上兩個(gè)fun1是同一個(gè)fun1，里面放的是跳轉(zhuǎn)指令而已。C++也會不犯這個(gè)小問題。

最后，我們來打印一下多繼承的虛表。

//Derive繼承Base1和Base2
class Base1
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "Base1->fun1()" << endl;
	}
	virtual void fun2()
	{
		cout << "Base1->fun2()" << endl;
	}
};
class Base2
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "Base2->fun1()" << endl;
	}
	virtual void fun2()
	{
		cout << "Base2->fun2()" << endl;
	}
};
class Derive : public Base1, public Base2
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "Derive->fun1()" << endl;
	}
	virtual void fun3()
	{
		cout << "Derive->fun3()" << endl;
	}
};

打印的細(xì)節(jié)，從Base2繼承過來的虛表指針放在第一個(gè)虛表指針后面，我們想要拿到這個(gè)指針需要往后挪一個(gè)指針加上一個(gè)int的字節(jié)，但是指針的大小跟操作系統(tǒng)的位數(shù)有關(guān)，所以我們可以用加上Base2的大小個(gè)字節(jié)來偏移。

這里注意要先強(qiáng)轉(zhuǎn)成char*，不然指針的加減會根據(jù)指針的類型來確定。

Derive d;
	PrintPFTable((V_PTR*)(*(int*)&d));
	PrintPFTable((V_PTR*)(*(int*)((char*)&d+sizeof(Base2))));

Ret：

到此，關(guān)于“C++中的多態(tài)如何實(shí)現(xiàn)”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識，請繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬?shí)用的文章！