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多态的概念又难又杂不仅仅要学好多态本身的知识点更要加上继承两者一起进行实现讲解让整个代码显得很高级… 一、多态的概念
顾名思义多态就是多种形态我们这里举简单又形象的例子供大家形象地理解。 当我们在放暑假的时候一窝蜂抢高铁票的时候对于我们大学生会有两个窗口第一个是成人票第二个是学生票。当我们满足学生票的购票区间的条件系统就会跳转到学生票并显示相应的金额让我们进行支付但如果我们不满足学生票的购票区间的条件系统就会自动按照原本的成人票给我们算钱所以多态就是控制了系统往学生票还是成人票转。这就是多态。 二、多态的定义及实现
1、多态的构成条件
no1.在不同的继承关系中调用相同的函数实现这个函数的不同行为。 no2.必须通过基类的指针或者引用调用虚函数。 no3.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。
2、虚函数
虚函数即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。 3、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。 1基类virtual和派生类virtual
派生类的重写虚函数可以不加virtual 2协变
返回值可以不同但是要求返回值必须是父子关系指针和引用。
如下所示 注意的是同时用指针或同时用引用 子对子父对父 3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。 看的很鸡肋但是在一种场景下很有用 不加virtual虚函数的情况容易造成内存泄露。
加了虚函数不会导致内存泄漏 所以析构函数构成重写的过程为 底下的delete p在编译器中加了虚函数以后被再次重新进行改写统一改写成了p-destructor()operator delete§为一个多态的调用所有的析构函数不管是父类还是子类的析构函数都改写成了destructor()为一个多态的调用而不是一个普通调用既然形成了一个多态的调用就是析构函数的重写那么去访问父类和子类的析构函数都不在话下。
4面试问题 – 析构函数是虚函数
上述的原本面试问题为析构函数是虚函数吗为什么需要是虚函数不能是普通函数呢
解答是虚函数虚函数不会导致内存泄露的问题我们经过演示发现如果不是虚函数的话main函数中的delete调用不到子类的析构函数而只能调用父类的析构函数如果在子类的析构函数中加上了释放内存的操作释放不了内存导致内存泄露问题很严重。而我们在析构函数是个虚函数加上了virtual的话编译器内部自动将main函数中的delete转化成为p-destructor()operator delete§destructor()是编译器将不同的析构函数改写成为destructor()实现析构函数的重写了main函数中的调用是一个多态的调用能够进行正确的调用析构函数了。
所以日常当中我们在基类的析构函数中加上virtual变成虚函数即可。 三、C11 override 和 final
1、final修饰虚函数表示该虚函数不能再被重写 2、override: 检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数如果没有重写编译报错。 3、设计一个不被继承的类
1基类构造函数私有C98 解决方法
2基类加一个final不让它继承C11 四、重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比 五、抽象类
1、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。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。
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。 实现多态就只需要定义一个指针或者是引用再在继承的类中进行重写即可。 抽象类什么用间接强制派生类进行虚函数的重写。 六、多态的原理
1、虚函数表 除了_b成员还多一个__vfptr放在对象的前面对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtualf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那么派生类中这个表放了些什么呢 我们在原有的基础上增加一个子类去继承在基类中重写一个func1函数子类再增加一个虚函数func2和一个普通函数func3。 通过分析发现得出下面结论
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父类继承下来的部分以及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Student::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。Func2继承下来后是虚函数所以放进了子类的虚表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。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。虚表放在常量区代码段。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。
验证虚表存放在常量区
验证虚表存放在常量区
2、从多态原理分析多态的构成条件回答多态构成条件
两个想法1、调用子类的指针或者是引用呢2、调用的是父类对象呢
1为什么不是子类的指针或者是引用呢
根据我们学过的知识用基类的指针或引用能够找到子类的各个成员同样也不仅仅能够用基类的各个成员。也就是基类的指针或引用既能够指向基类也能够指向派生类。
2为什么一定是指针或者是引用呢不能是对象吗
为什么不能是父类的对象实现多态呢 如下代码 看上面两张图的逻辑是在定义ps和st的时候就已经构造好了两个虚表我们通过指针和引用的话直接通过地址去寻找到然后进行多态的处理即可。
ps st呢这个是标准的父类对象如果用父类对象实现多态的话切片处理肯定要拷贝的如果拷贝虚表过去肯定不符合的虚表拷贝过去都一样了不知道是子类还是父类的虚表而我们进调试发现虚表是不会被拷贝过去的所以否决了父类对象的设想所以要用指针或者引用。不懂的话理解成它父类对象本身的虚表不允许被改变用父类对象作为多态的条件改变了虚表不成立
结论只有指针和引用访问才能实现晚绑定如果是使用的是对象的话再编译期间就已经绑定完成了不需要实现多态了。
3、多态的底层原理 观察下图的黄色箭头我们看到p是指向ps对象时p-BuyTicket在ps的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket。观察下图的蓝色箭头我们看到p是指向st对象时p-BuyTicket在ps的虚表中找到虚函数是Student::BuyTicket。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。要达到多态有两个条件一个是虚函数覆盖一个是对象的指针或引用调用虚函数。再通过下面的汇编代码分析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去找的。不满足多态的函数调用时编译时确认好的。 4、动态绑定与静态绑定
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。 七、单继承和多继承关系的虚函数表
1、单继承中的虚函数表 因为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。 我们本质的思路是先取b的地址强转成一个int型的指针 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 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。 虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表 2、多继承中的虚函数表 解决为什么同一个函数地址不同的问题利用汇编 代码如下
Base1访问func1虚函数Derive与其相似
Base2访问func1虚函数
3、菱形虚拟继承中的虚函数表 八、面试题
1、子类父类虚函数
以下程序输出结果是什么 答案及解析 B-1
2、问答题
什么是多态见本博客的多态的概念章节内容。分为静态多态函数重载和动态多态为继承中虚函数重写加上父类指针的引用。什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)见本博客第四章节三者的比较。多态的实现原理有函数名修饰规则和虚函数表的概念具体见多态的原理。inline函数可以是虚函数吗答可以不过编译器就忽略inline属性这个函数就不再是inline因为虚函数要放到虚表中去。静态成员可以是虚函数吗答不可以因为静态成员函数没有this指针使用类型::成员函数的调用方式无法访问虚函数表所以静态成员函数无法放进虚函数表。这样做没有办法实现多态也就是没有任何意义所以语法会强制检查。构造函数可以是虚函数吗答不能因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始化的。初始化时间有很大的问题。析构函数可以是虚函数吗什么场景下析构函数是虚函数答可以并且最好把基类的析构函数定义成虚函数。见本博客第二章节虚函数的概念。对象访问普通函数快还是虚函数更快答首先如果是普通对象是一样快的。如果是指针对象或者是引用对象则调用的普通函数快因为构成多态运行时调用虚函数需要到虚函数表中去查找。虚函数表是在什么阶段生成的存在哪的答虚函数表是在编译阶段就生成的一般情况下存在代码段(常量区)的。C菱形继承的问题虚继承的原理见本博客第七节不同继承的虚函数表。什么是抽象类抽象类的作用见本博客第五章。
