多态
`
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前言
先看一个例子：
class A
{
public:
virtual void Eat()
{
cout << "A::Eat()" << endl;
}
virtual void Foot()
{
cout << "A::Foot()" << endl;
}
virtual void Sleep()
{
cout << "A::Sleep()" << endl;
}
};
class Person :public A
{
public:
void Eat()
{
cout << "Person::Eat()" << endl;
}
void Foot()
{
cout << "Person::Foot()" << endl;
}
void Sleep()
{
cout << "Person::Sleep()" << endl;
}
};
class Bird :public A
{
public:
void Eat()
{
cout << "Bird::Eat()" << endl;
}
void Foot()
{
cout << "Bird::Foot()" << endl;
}
void Sleep()
{
cout << "Bird::Sleep()" << endl;
}
};
class Dog :public A
{
public:
void Eat()
{
cout << "Dog::Eat()" << endl;
}
void Foot()
{
cout << "Dog::Foot()" << endl;
}
void Sleep()
{
cout << "Dog::Sleep()" << endl;
}
};
//多态 完成不同的功能
void Active(A* pb)
{
pb->Eat();
pb->Foot();
pb->Sleep();
}
int main()
{
Person p;
Bird b;
Dog d;
Active(&p);
system("pause");
return 0;
}
首先A是一个动物类，其中人，鸟，狗，都属于动物，所以都继承了动物类，而不同的动物有不同行为习惯，因此，当我们调用不同的对象时，应该对应的是不同的行为习惯。如果我们不加virtual的话，调用的都会是动物类中的行为，这是不合理的，但是在我们加上virtual之后，再调用不同的对象的时候，就会出现不同对象的行为习惯，这就是多态，通过一个函数来完成不同的功能。
多态的概念
多态的概念：通俗来说，就是多种形态，具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。
多态的定义及实现
多态的构成条件
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。
class Base
{
public:
virtual void fun()
{
cout << "Base::fun()" << endl;
}
};
class D :public Base
{
public:
//重写
virtual void fun()
{
cout << "D::fun()" << endl;
}
};
int main()
{
D d;
Base* pb = &d;
pb->fun();
Base& rb = d;
rb.fun();
//最常见的用法是：
Base* pb = new D;
pb->fun();
system("pause");
return 0;
}
那么在继承中要构成多态还有两个条件：
- 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
- 被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对基类的虚函数进行重写
虚函数
虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。
class Base {
public:
virtual void fun() { cout << "Base::fun()" << endl; }
};
class Base
{
public:
/*virtual*/ void fun()
{
cout << "Base::fun()" << endl;
}
/*virtual*/ void fun1()
{
cout << "Base::fun1()" << endl;
}
private:
int m_a = 0;
};
void main()
{
cout << sizeof(Base) << endl;
}
当我们不加virtual关键字的时候，Base类的大小就为4个字节，但是当我们加上virtual关键字的时候Base类的大小就是8个字节，但是类的大小也不是一直增大的，当我们给第二个成员函数加上virtual关键字的时候，Base类的大小仍然是8个字节，这是什么原因呢？
当我们打开监视器，很容易能够发现，在我们的数据成员之前存在一个指针__vfptr，而这个指针就是虚表指针，这就是为什么Base类有8个字节的原因，并且，无论你增加多少个虚函数，虚表指针只有一个，所以只会增加一个指针的大小
如何查看虚表和虚表中的函数
typedef void(*pFun)();
class Base
{
public:
virtual void f()
{
cout << "Base::f()" << endl;
}
virtual void g()
{
cout << "Base::g()" << endl;
}
virtual void h()
{
cout << "Base::h()" << endl;
}
private:
int m_a = 0;
int m_b = 1;
};
void main()
{
Base b;
printf("对象的地址：0x%p\n", &b);
printf("虚表的地址：0x%p\n", *(int*)&b);
pFun pfun;
pfun = (pFun)(*((int*)(*(int*)&b) + 0));
pfun();
pfun = (pFun)(*((int*)(*(int*)&b) + 1));
pfun();
pfun = (pFun)(*((int*)(*(int*)&b) + 2));
pfun();
}
虚函数的重写
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)，称子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
虚函数重写的两个例外
1.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 Base
{
public:
virtual Base* fun()
{
cout << "Base::fun()" << endl;
return this;
}
private:
int m_a = 0;
};
class D :public Base
{
public:
virtual D* fun()
{
cout << "D::fun()" << endl;
return this;
}
private:
int m_a = 0;
};
void main()
{
Base* pb = new D;
pb->fun();
}
此时，我们使用父类的指针调用fun函数，执行的事子类的fun虚函数。
简单理解一下，父类的虚函数返回父类的指针，子类的虚函数返回子类的指针，可以简单的认为，这是一种跳出五行之外的一种虚函数的重写方法，成为协变。
其实也很好理解，你子类不是继承了父类了吗，你返回一个子类对象的指针，当然也会有父类对象的指针啦，这不也是构成了重载吗。但是需要记住的一点是，这是构成协变的唯一方式，如果你换成整形指针，或者其他指针，这种说法就不成立了。
2.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 Base
{
public:
Base()
{
cout << "Base::Base()" << endl;
}
~Base()
{
cout << "Base::~Base()" << endl;
}
public:
virtual void fun()
{
cout << "Base::fun()" << endl;
}
private:
int m_a = 0;
};
class D :public Base
{
public:
D()
{
cout << "D::D()" << endl;
}
~D()
{
cout << "D::~D()" << endl;
}
public:
virtual void fun()
{
cout << "D::fun()" << endl;
}
private:
int m_b = 0;
};
void main()
{
Base* pb = new D;
delete pb;
}
这里一定要看清楚了，这里虽然调用了两次构造函数，但是只实例化了一个对象，因为在实例化子类对象的时候，先调用父类的构造函数，再调用子类的构造函数，然后用父类的指针指向这个实例化的子类对象，因为这个指针是一个父类的指针，所以只会调用父类的析构函数，对父类的资源进行释放与回收，坦白来说，这是一种错误。因此，我们需要对父类的析构函数进行重写
但是，必须牢记一点的是，父类的构造函数一定不能是虚函数，不能是虚函数，不能是虚函数！！！重要的事情说三遍！！！
重载、覆盖（重写）、隐藏（重定义）
成员函数的重载、覆盖（override）与隐藏很容易混淆，C++程序员必须要搞清楚概念，否则错误将防不胜防。
重载与覆盖
成员函数被重载的特征：
（1）相同的范围（在同一个类中）；
（2）函数名字相同；
（3）参数不同；
（4）virtual 关键字可有可无。
覆盖是指派生类函数覆盖基类函数，特征是：
（1）不同的范围（分别位于派生类与基类）；
（2）函数名字相同；
（3）参数相同；
（4）基类函数必须有 virtual 关键字。
在下面的实例中，函数 Base::f(int)与 Base::f(float)相互重载，而 Base::g(void)被 Derived::g(void)覆盖。
#include <iostream.h>
class Base
{
public:
void f(int x){ cout << "Base::f(int) " << x << endl; }
void f(float x){ cout << "Base::f(float) " << x << endl; }
virtual void g(void){ cout << "Base::g(void)" << endl;}
};
class Derived : public Base
{
public:
virtual void g(void){ cout << "Derived::g(void)" << endl;}
};
void main(void)
{
Derived d;
Base *pb = &d;
pb->f(42); // Base::f(int) 42
pb->f(3.14f); // Base::f(float) 3.14
pb->g(); // Derived::g(void)
}
令人迷惑的隐藏规则
本来仅仅区别重载与覆盖并不算困难，但是 C++的隐藏规则使问题复杂性陡然增加。这里“隐藏”是指派生类的函数屏蔽了与其同名的基类函数，规则如下：
（1）如果派生类的函数与基类的函数同名，但是参数不同。此时，不论有无 virtual关键字，基类的函数将被隐藏（注意别与重载混淆）。
（2）如果派生类的函数与基类的函数同名，并且参数也相同，但是基类函数没有 virtual关键字。此时，基类的函数被隐藏（注意别与覆盖混淆）。
在以下实例中：
（1）函数 Derived::f(float)覆盖了 Base::f(float)。
（2）函数 Derived::g(int)隐藏了 Base::g(float)，而不是重载。
（3）函数 Derived::h(float)隐藏了 Base::h(float)，而不是覆盖。
#include <iostream.h>
class Base
{
public:
virtual void f(float x){ cout << "Base::f(float) " << x << endl; }
void g(float x){ cout << "Base::g(float) " << x << endl; }
void h(float x){ cout << "Base::h(float) " << x << endl; }
};
class Derived : public Base
{
public:
virtual void f(float x){ cout << "Derived::f(float) " << x << endl; }
void g(int x){ cout << "Derived::g(int) " << x << endl; }
void h(float x){ cout << "Derived::h(float) " << x << endl; }
};
详细内容可参考《高质量C++编程指南》
多态的原理
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;
}
private:
int _d = 2;
};
int main()
{
Base b;
Derive d;
return 0;
}
从父类而言，表中有两个虚函数，从子类出发，表中也有两个虚函数，但是其中有一个虚函数被子类覆盖了，这就是父类的指针为什么能够调用子类方法的原因。原本父类的指针只能调用父类的方法，但是由于子类将父类的方法重写覆盖了之后，在父类调用此方法的时候就变成了子类的方法。
事实上，子类的虚表与父类的虚表是没有关系的。
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，这个数组最后面放了一个nullptr。
- 总结一下派生类的虚表生成：a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中 b.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 c.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。
- 这里还有一个很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？ 答：虚函数存在虚表，虚表存在对象中。注意上面的回答的错的。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。
抽象类
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。纯虚函数规范了派生类必须重写，另外纯虚函数更体现出了接口继承。
//抽象类
class A
{
public:
virtual void Eat() = 0; //纯虚函数
virtual void Sleep() = 0;
virtual void Foot() = 0;
};
class Dog :public A
{
public:
virtual void Eat()
{
cout << "Dog::Eat()" << endl;
}
virtual void Sleep()
{
cout << "Dog::Sleep()" << endl;
}
virtual void Foot()
{
cout << "Dog::Foot()" << endl;
}
};
class Pig :public A
{
public:
virtual void Eat()
{
cout << "Pig::Eat()" << endl;
}
virtual void Sleep()
{
cout << "Pig::Sleep()" << endl;
}
virtual void Foot()
{
cout << "Pig::Foot()" << endl;
}
};
//运行时的多态
void Active(A& pa)
{
pa.Eat();
pa.Foot();
pa.Sleep();
}
void main()
{
//A a;
Dog dog;
Active(dog);
}
注意：抽象类是绝对不能实例化对象的，还有一点需要注意的是，一旦父类存在纯虚函数，子类在继承父类的时候，必须对父类所有的纯虚函数进行重写，一旦有一个纯虚函数没有重写，则子类还是一个抽象类，子类也不能实例化对象
