【C++深度学习】多态(概念&&虚函数&&抽象类)

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🚀前言

       在编程的广阔领域中,多态(Polymorphism) 无疑是一个令人着迷且至关重要的概念。它不仅是面向对象编程(OOP)的三大特性之一(与封装和继承并列)也是实现代码复用、提高软件灵活性和可扩展性的关键所在。当我们谈论C++这门强大的编程语言时,多态更是一个不可或缺的话题

需要声明的,本节课件中的代码及解释都是在vs2022下的x86程序中,涉及的指针都是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

一、多态的定义及实现

1.1 多态的定义

     🍁 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。

1.2 多态的构成条件

  • 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
  • 被调用的虚函数必须构成派生类对基类的重写(覆盖)

多态代码(完整版)示例:

#include <iostream>
using namespace std;

//多态:不同类型的对象去做同一个行为,结果不同

// 虚函数
class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
	
	//第一个条件不满足,结果都是全价,不是多态
	//void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; } 
};

//虚函数的重写/覆盖
class Student : public Person {
public:
	//子类都不写的的时候,也全调用父类
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
	
	//派生类不加virtual,也是多态
	//void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};

//多态不仅发生在父子类之间,还可以发生在多个子类间
class Soldier :public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-优先" << endl; }
	
	//void BuyTicket() { cout << "买票-优先" << endl; }
};

void Func(Person& p) { 
	p.BuyTicket();

	//指定域去访问也不是多态
	//p.Person::BuyTicket();
}

//注意:父类不能调用子类形成多态
//void Func3(Student& s){  s.BuyTicket(); }

void Func1(Person p) { //不符合第二个条件,此时不属于多态
	p.BuyTicket();
}

void Func2(Person* p){ 
	p->BuyTicket();

	//指定域去访问也不是多态
	//p->Person::BuyTicket();
}

void Func3(Person p){
	Person* ptr = &p;
	ptr->BuyTicket(); //虽然下面指针符合多态,但是ptr指向的都是父类对象,没有做到指向父类和子类
}


int main(){

	Person p;
	Student s;

	//多态行为,不同的人做产生结果不同
	cout << "父类指针\n";
	Func(p);
	Func(s);

	cout << "\n不调用父类指针\n";
	Func1(p);
	Func1(s);

	cout << "\n引用调用虚函数\n";
	Func2(&p);
	Func2(&s);

	cout << "\n多态可以发生在子类中\n";
	Soldier so;
	Func(so);
	Func1(so);
	Func2(&so);

	cout << "\n不符合多态就是隐藏\n";
	//不构成多态就是隐藏,重写属于一种特殊的隐藏,不仅要求函数名相同,还有上面两个要求
	s.BuyTicket();
	s.Person::BuyTicket();

	cout << "\nFunc(3)\n";
	Func3(p);
	Func3(s);
	Func3(so);


	return 0;
}

1.2.1 虚函数

🐼虚函数是在类中被virtual关键词修饰的函数,这种函数是在多态中出现的,可以在子类中完成重写

class Person {
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;}
};
1.2.2 虚函数的重写

🐻 虚函数想要构成重写需要以下条件:这两个函数一个在子类一个在父类,且都被virtual关键词修饰,函数名、返回值、参数必须要相同。有两个特例我们待会会介绍。

class Person 
{
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person 
{
public:
	// 返回值类型、函数名字、参数列表完全相同,构成虚函数的重写
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};
注意:

 🍂1. 多态不仅发生在父子类之间,还可以发生在多个子类间

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; }
};
class Soldier :public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-优先" << endl; }
};

🍂2.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,但是该种写法不是很规范,不建议使用

class Person 
{
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};

class Student : public Person 
{
public:
	// 基类不加virtual也构成虚函数重写,但是不规范
	void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};

🍂3.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。即基类虚函数返回基类对象的指针或者引用,派生类虚函数返回派生类对象的指针或者引用时,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;}
};

🍂4.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。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析构函数的名称统一处理成destructor

class Person {
public:
	// 析构函数的名称统一处理成destructor
	virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};
class Student : public Person {
public:
	// 无论是否加virtual关键字,都与基类的析构函数构成重写
	virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};

🍂5.virtual的两个关键字(override和final)

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:C++11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

💞override:判断一个虚函数是否重写了基类虚函数,如果没有则报错

1.3 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

二、抽象类

2.1 抽象类概念

   🔥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

2.2 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。

三、多态的原理

3.1 虚函数表

       在探究相关知识前,我们先看下下面这个类,求sizeof(Base)是多少?

class base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
};

int是4个字节,但它的大小为什么会是8字节,那么多的那4个字节从何而来,让我们来一探究竟!

通过观察测试我们发现b对象是8bytes,除了_p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),对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual,f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

3.2 虚函数表的特征

💥a. 基类和派生类不会共用一张虚函数表,而是会依据基类自己构造来避免调用不明的问题

💥b. 同一个自定义类型的对象将会共用一张虚函数表

💥c. 虚函数是否都放入虚函数表代码测试
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;}
	virtual void Func3(){cout << "Base::Func3()" << endl;}
private:
	int _d = 2;
};
void Test1()
{
	Base b;
	Derive d;
}

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,d对象由两部分构成,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d对象虚表是不一样的,这里我们发现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
  • 总结一下派生类的虚表生成

   🌙 1. 先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中
   🌙 2. 然后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
   🌙 3. 最后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

  • 注意虚表存的是虚函数指针,不是虚函数,虚函数和普通函数一样的,都是存在代码段的,只是他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表,存的是虚表指针。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

💥验证虚函数表的存放位置

我们用代码来验证一下vs下虚函数表的存放位置

代码示例(验证时使用上面的类(Base)进行验证)

void Test4()
{
	int i = 1;
	static int j = 2;
	int* p1 = new int; //p仍然在栈上,但是p的地址在堆上
	const char* p2 = "xxxxx";

	printf("栈:%p\n", &i);
	printf("静态区:%p\n", &j);
	printf("堆:%p\n", p1);
	printf("常量区:%p\n", p2);

	Base b;
	Derive d;

	//支持类型转换
	//int/double/char
	// int 和 int* 指针之间
	printf("Base虚表地址:%p\n", *((int*)&b));
	printf("Derive虚表地址:%p\n", *((int*)&d));
	printf("Base虚表地址:%p\n", &b);
	printf("Derive虚表地址:%p\n", &d);

}

3.3 多态的原理

    🧩上面分析了这个半天了那么多态的原理到底是什么?还记得这里Func函数传Person调 用的Person::BuyTicket,传Student调用的是Student::BuyTicket

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;
}

多态实则是通过不同的虚表,找到不同的虚函数来调用, 这样就实现出了不同对象去完成同一行为时,展现出不同的形态

因此我们可以看出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的中取找的。普通的函数调用时编译时确认好的

3.4 动态绑定与静态绑定

🔥1. 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:函数重载和模板

🔥2. 动态绑定又称后期绑定(晚绑定),是在程序运行期间,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。

🔥3. 之前买票的汇编代码很好的解释了什么是静态(编译器)绑定和动态(运行时)绑定。

、单继承和多继承关系的虚函数表

     需要注意的是在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我们已经看过了,没什么需要特别研究的

4.1 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;
};

观察上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,也可以认为是他的一个小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。

// 打印虚表
typedef void (*VFUNC)();

void PrintVFT(VFUNC* a)
{
	// 因为虚函数表在vs下最后一个元素是 0,
	for (size_t i = 0; a[i] != 0; i++)
	{
		// 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
		printf("[%d]: %p -> ", i, a[i]);
		VFUNC f = a[i];
		f();
	}
	printf("\n");
}

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。
	// 类似于打印虚表指针,只不过最后要强制转换成 VFUNC*
	PrintVFT((VFUNC*)(*((int*)&b)));
	PrintVFT((VFUNC*)(*((int*)&d)));

	return 0;
}

4.2 多继承中的虚函数表

我们要想打印第二张虚表就必须跳过第一张,我们来分析一下 ((char*)&d+sizeof(Base1))

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

4.3 虚函数调用注意事项:

a、inline函数可以是虚函数,如果是普通调用,则inline起作用,如果是多态调用,inline不起作用
b、静态成员不可以是虚函数,因为静态成员函数没有this指针,无法访问虚函数表
c、构造函数不可以是虚函数,对象中的虚函数表指针是在构造函数阶段才初始化的,虚函数的多态调用要去虚函数表中找,但虚函数表指针还没初始化

📃五、卷末总结

      经过对C++多态的更加深入地学习,我们可以发现:多态性是面向对象编程中一个不可或缺的概念,它赋予了代码更高的灵活性和可扩展性。通过虚函数和继承机制,C++实现了运行时多态,让我们能够以统一的方式处理不同类型的对象,这无疑极大地提高了软件开发的效率和质量。

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