C++多态(Polymorphism)

文章目录

一、多态的概念

多态(polymorphism)的概念：通俗来说，就是多种形态。多态分为编译时多态(静态多态)和运行时多态(动态多态)，这里重点是运行时多态，编译时多态(静态多态)和运行时多态(动态多态)。编译时多态(静态多态)主要就是前面的函数重载和函数模板，他们传不同类型的参数就可以调用不同的函数，通过参数不同达到多种形态，之所以叫编译时多态，是因为他们实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的，我们把编译时⼀般归为静态，运行时归为动态。
运行时多态，具体点就是去完成某个行为(函数)，可以传不同的对象就会完成不同的行为，就达到多种形态。比如买票这个行为，当普通人买票时，是全价买票；学生买票时，是优惠买票(5折或75折)；军人买票时是优先买票。再如，同样是动物叫的⼀个行为(函数)，传猫对象过去，就是”(>^ω<)喵“，传狗对象过去，就是"汪汪"。

二、多态的定义及实现

1.多态的构成条件
多态是⼀个继承关系的下的类对象，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对象优惠买票。
实现多态还有两个必须重要条件：

必须指针或者引用调用虚函数
被调用的函数必须是虚函数。
说明：要实现多态效果，第⼀必须是基类的指针或引用，因为只有基类的指针或引用才能既指向派生类对象；第⼆派生类必须对基类的虚函数重写/覆盖，重写或者覆盖了，派生类才能有不同的函数，多态的不同形态效果才能达到。

2.虚函数
类成员函数前面加virtual修饰，那么这个成员函数被称为虚函数。注意非成员函数不能加virtual修饰。

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

虚函数的重写/覆盖
虚函数的重写/覆盖：派生类中有⼀个跟基类完全相同的虚函数(即派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)，称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。
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

class Person {
public:
   virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
   virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
};
void Func(Person* ptr)
{
   // 这⾥可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket 
   // 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。 
   ptr->BuyTicket();
}
int main()
{
   Person ps;
   Student st;
   Func(&ps);
   Func(&st);
   return 0;
}

class Animal
{
public:
	virtual void talk() const
	{}
};
class Dog : public Animal
{
public:
	virtual void talk() const
	{
		std::cout << "汪汪" << std::endl;
	}
};
class Cat : public Animal
{
public:
	virtual void talk() const
	{
		std::cout << "(>^ω^<)喵" << std::endl;
	}
};
void letsHear(const Animal& animal)
{
	animal.talk();
}
int main()
{
	Cat cat;
	Dog dog;
	letsHear(cat);
	letsHear(dog);
	return 0;
}

3.虚函数重写的⼀些其他问题
协变
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。协变的实际意义并不大

class Base {
public:
    virtual Base* clone() const {
        return new Base(*this);
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    Derived* clone() const override {
        return new Derived(*this);
    }
};

Derived类重写了Base类的clone函数，返回类型从Base* 变为Derived*，这是合法的协变。

协变的优点

提高代码的灵活性和可扩展性：协变使得派生类可以根据自身的需求返回更具体的类型，从而方便地进行类型转换和操作。
增强代码的可读性：通过协变，代码可以更清晰地表达出派生类与基类之间的关系，提高代码的可读性。

协变的注意事项

不是所有的返回类型改变都被允许：协变只适用于指针或引用类型的返回值，对于非指针或引用类型的返回值，改变返回类型会导致编译错误。
可能会导致类型不匹配问题：在使用协变返回类型时，需要注意类型的兼容性，避免出现类型不匹配的问题。
对虚函数表的影响：协变会影响虚函数表的结构，因为不同的返回类型可能需要不同的函数调用方式。

析构函数的重写
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看起来不符合重写的规则，实际上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，所以基类的析构函数加了vialtual修饰，派⽣类的析构函数就构成重写。
下面的代码我们可以看到，如果~A()，不加virtual，那么delete p2时只调用的A的析构函数，没有调用B的析构函数，就会导致内存泄漏问题，因为~B()中在释放资源。

class A
{
public:
	virtual ~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
};
class B : public A {
public:
	~B()
	{
		cout << "~B()->delete:" << _p << endl;
		delete _p;
	}
protected:
	int* _p = new int[10];
};
// 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()
{
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new B;
	delete p1;
	delete p2;
	return 0;
}

override和final关键字
C++对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，比如函数名写错参数写
错等导致无法构成重载，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，可以帮助用户检测是否重写。如果我们不想让派生类重写这个虚函数，那么可以用final去修饰。
在这里插入图片描述

重载/重写/隐藏的对比你
在这里插入图片描述

三、纯虚函数和抽象类

在虚函数的后面写上=0，则这个函数为纯虚函数，纯虚函数不需要定义实现(实现没啥意义因为要被派生类重写，但是语法上可以实现)，只要声明即可。包含纯虚函数的类叫做抽象类，抽象类不能实例化出对象，如果派生类继承后不重写纯虚函数，那么派生类也是抽象类。纯虚函数某种程度上强制了派生类重写虚函数，因为不重写实例化不出对象。
在这里插入图片描述

四、多态的原理

多态是如何实现的
从底层的角度Func函数中ptr->BuyTicket()，是如何作为ptr指向Person对象调⽤Person::BuyTicket，ptr指向Student对象调⽤Student::BuyTicket的呢？通过下图我们可以看到，满足多态条件后，底层不再是编译时通过调用对象确定函数的地址，而是运行时到指向的对象的虚表中确定对应的虚函数的地址，这样就实现了指针或引用指向基类就调用基类的虚函数，指向派生类就调用派生类对应的虚函数。第⼀张图，ptr指向的Person对象，调用的是Person的虚函数；第二张图，ptr指向的Student对
象，调用的是Student的虚函数。
在这里插入图片描述

class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
};
class Soldier : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-优先" << endl; }
};
void Func(Person* ptr)
{
	// 这⾥可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket 
	// 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。 
	ptr->BuyTicket();
}
int main()
{
	// 其次多态不仅仅发⽣在派⽣类对象之间，多个派⽣类继承基类，重写虚函数后 
	// 多态也会发⽣在多个派⽣类之间。 
	Person ps;
	Student st;
	Soldier sr;
	Func(&ps);
	Func(&st);
	Func(&sr);
	return 0;
}

动态绑定与静态绑定

对不满足多态条件(指针或者引用+调用虚函数)的函数调用是在编译时绑定，也就是编译时确定调用函数的地址，叫做静态绑定。
满足多态条件的函数调用是在运行时绑定，也就是在运行时到指向对象的虚函数表中找到调用函数的地址，也就做动态绑定。

虚函数表

基类对象的虚函数表中存放基类所有虚函数的地址。
派生类由两部分构成，继承下来的基类和自己的成员，一般情况下，继承下来的基类中有虚函数表指针，自己就不会再⽣成虚函数表指针。但是要注意的这⾥继承下来的基类部分虚函数表指针和基类对象的虚函数表指针不是同⼀个，就像基类对象的成员和派生类对象中的基类对象成员也独立的。
派生类中重写的基类的虚函数，派生类的虚函数表中对应的虚函数就会被覆盖成派生类重写的虚函数地址。
派生类的虚函数表中包含，基类的虚函数地址，派生类重写的虚函数地址，派生类自己的虚函数地址三个部分。
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0x00000000标记。(这个C++并没有进行规定，各个编译器自行定义的，vs系列编译器会再后⾯放个0x00000000标记，g++系列编译不会放)
虚函数存在哪的？虚函数和普通函数⼀样的，编译好后是⼀段指令，都是存在代码段的，只是虚函数的地址又存到了虚表中。
虚函数表存在哪的？这个问题严格说并没有标准答案C++标准并没有规定，对比验证⼀下。vs下是存在代码段(常量区)

class Base {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
	void func5() { cout << "Base::func5" << endl; }
protected:
	int a = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
	// 重写基类的func1 
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
protected:
	int b = 2;
};
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}

int main()
{
   int i = 0;
   static int j = 1;
   int* p1 = new int;
   const char* p2 = "xxxxxxxx";
   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;
   Base* p3 = &b;
   Derive* p4 = &d;
   printf("Person虚表地址:%p\n", *(int*)p3);
   printf("Student虚表地址:%p\n", *(int*)p4);
   printf("虚函数地址:%p\n", &Base::func1);
   printf("普通函数地址:%p\n", &Base::func5);
   return 0;
}

在这里插入图片描述
1.在main函数中，分别定义了一个栈上的变量i、一个静态区的变量j、一个堆上的指针p1和一个指向常量区字符串的指针p2。通过printf函数输出了它们在不同内存分区的地址。

栈：用于存储局部变量，函数调用时的参数等。变量i在栈上分配内存，其地址随着函数的调用和退出而变化。
静态区：用于存储全局变量、静态变量等。变量j在静态区分配内存，其生命周期从程序开始到程序结束。
堆：通过动态内存分配函数（如new）分配的内存。指针p1在堆上分配内存，需要手动释放以避免内存泄漏。
常量区：存储常量字符串、常量数值等。指针p2指向常量区的字符串，该字符串在程序运行期间不能被修改。

2.接着创建了Base类的对象b和Derive类的对象d，并分别定义了指向它们的指针p3和p4。

通过输出指针p3和p4的值，可以看出它们分别指向不同的对象在内存中的地址。

3.输出虚表地址：

通过将指针p3强制转换为int*类型，然后解引用得到Base类对象的虚表地址。同样地，对指针p4进行操作得到Derive类对象的虚表地址。虚表是实现 C++ 多态的关键机制，它存储了对象的虚函数地址。
每个包含虚函数的类都有一个虚表，当通过基类指针调用虚函数时，程序会根据对象的实际类型在虚表中查找对应的虚函数地址并调用。

4.输出函数地址：

分别输出了Base类中虚函数func1的地址和普通成员函数func5的地址。可以看出，虚函数的地址与普通成员函数的地址在内存中的存储方式可能不同。虚函数地址存储在虚表中，而普通成员函数的地址可以直接通过类的成员函数指针获取。

代码展示了 C++ 中不同类型的变量在内存中的分布情况，以及虚函数和普通成员函数的调用方式。通过输出虚表地址和函数地址，可以更好地理解 C++ 的多态机制和内存布局。

五、总结

多态的优点

提高代码的可扩展性和可维护性
- 可以在不修改现有代码的情况下，添加新的派生类，实现新的功能。
- 当需要修改某个功能时，只需要在派生类中进行修改，而不会影响到基类和其他派生类。
增强代码的灵活性和通用性
- 可以使用基类指针或引用来处理不同类型的对象，提高了代码的通用性。
- 可以根据实际情况动态地选择调用哪个函数，增强了代码的灵活性。

多态的注意事项

虚函数的开销
- 虚函数的调用需要通过虚函数表进行间接寻址，因此会有一定的开销。
- 在性能要求较高的情况下，需要考虑虚函数的开销是否可以接受。
纯虚函数和抽象类
- 如果在基类中声明了纯虚函数,那么这个基类就成为抽象类,不能被实例化。
- 抽象类的主要作用是为派生类提供一个接口规范,强制派生类实现某些函数。
虚函数的继承和重写
- 派生类可以继承基类的虚函数，并可以重写它们。
- 在重写虚函数时，需要保证函数的参数列表和返回类型与基类中的虚函数一致（协变返回类型除外）

总之，C++ 多态是一种强大的编程技术，它可以提高代码的可扩展性、可维护性、灵活性和通用性。在使用多态时，需要注意虚函数的开销、纯虚函数和抽象类的使用以及虚函数的继承和重写等问题。

标签：Polymorphism,函数,基类,多态,C++,派生类,重写,指针
From： https://blog.csdn.net/2301_78029441/article/details/142362100