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文章目录1. 多态的基本概念2. 多态的定义及实现2.1多态的构成条件2.2 虚函数2.3虚函数的重写2.4 虚函数不能重写和检查是否重写 C11 2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比3. 纯虚函数和抽象类3.1 概念3.2 接口继承和实现继承4.多态的实现原理4.1虚函数表4.2多态的原理4.3 动态绑定与静态绑定5.单继承和多继承关系的虚函数表5.1 单继承中的虚函数表5.2 多继承中的虚函数表5.3. 菱形继承、菱形虚拟继承6. 继承和多态常见的面试问题6.1 选择题6.2 问答题虚析构和纯虚析构1. 多态的基本概念
多态是C面向对象三大特性之一
多态分为两类
静态多态: 函数重载 和 运算符重载属于静态多态复用函数名动态多态: 派生类和虚函数实现运行时多态
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 举个栗子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半价买票军人买票时是优先买票。
静态多态和动态多态区别
静态多态的函数地址早绑定 - 编译阶段确定函数地址动态多态的函数地址晚绑定 - 运行阶段确定函数地址 2. 多态的定义及实现
2.1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。比如Student继承了Person。Person对象买票全价Student对象买票半价。
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 那问题来了什么是虚函数呢 2.2 虚函数
虚函数即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数
class Person
{public:virtual void BuyTicket() { cout 买票-全价 endl;}
};2.3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。
class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout 买票-全价 endl; }
};
class Student : public Person {
public://三同函数名相同参数返回值类型相同virtual void BuyTicket() { cout 买票-半价 endl; }/*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*//*void BuyTicket() { cout 买票-半价 endl; }*/
};
void Func(Person p)
{p.BuyTicket();
}
int main()
{Person ps;Student st;Func(ps);Func(st);return 0;
}虚函数重写的两个例外 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。了解 class A{};
class B : public A {};
class Person
{
public:virtual A* f() { return new A; }
};
class Student : public Person
{
public:virtual B* f() //函数名和参数要一样,返回类型要是派生类对象的指针或者引用{ return new B; }
};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:virtual ~Person() { cout ~Person() endl; }
};
class Student : public Person {
public:virtual ~Student() { cout ~Student() endl; }
};
// 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()
{Person* p1 new Person;Person* p2 new Student;delete p1;delete p2;return 0;
}这里的调用顺序是先执行派生类的析构函数后编译器会自动调用、基类的析构遵循基类的资源基类释放派生类的资源派生类释放而且它们的执行顺序都是让派生类先释放然后到基类。 2.4 虚函数不能重写和检查是否重写 C11
从上面可以看出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C11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 class Car
{
public:virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:virtual void Drive() { cout Benz-舒适 endl; }
};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。
class Car{
public:virtual void Drive(){}
};
class Benz :public Car {
public://多写一个参数没有构成重写会报错virtual void Drive(int x) override { cout Benz-舒适 endl; }
};2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比 3. 纯虚函数和抽象类
3.1 概念
在多态中通常父类中虚函数的实现是毫无意义的主要都是调用子类重写的内容
因此可以将虚函数改为纯虚函数 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。 纯虚函数语法virtual 返回值类型 函数名 参数列表 0 ;
所以当类中有了纯虚函数这个类也称为抽象类
抽象类特点
无法实例化对象子类必须重写抽象类中的纯虚函数否则也属于抽象类
class Car
{
public:virtual void Drive() 0;
};
class Benz :public Car
{
public:virtual void Drive(){cout Benz-舒适 endl;}
};
class BMW :public Car
{
public:virtual void Drive(){cout BMW-操控 endl;}
};int main()
{Car* pBenz new Benz;pBenz-Drive();Car* pBMW new BMW;pBMW-Drive();return 0;
}3.2 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 。 4.多态的实现原理
4.1虚函数表
在进行原理学习前先来看一道有关虚函数表的题目
// 这里常考一道笔试题sizeof(Base)是多少
class Base
{
public:virtual void Func1(){cout Func1() endl;}
private:int _b 1;
};int main()
{cout sizeof(Base) endl;return 0;
}在没有学习虚函数表前或许你会说4个字节但学了原理之后你就醍醐灌顶了。 通过监视窗口来看一下它对象存的内容 通过观察测试我们发现b对象是8bytes除了_b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接着往下分析
// 针对上面的代码我们做出以下改造
// 1.我们增加一个派生类Derive去继承Base
// 2.Derive中重写Func1
// 3.Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3
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;
}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。 这里还有一个童鞋们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。但是很多童鞋都是这样深以为然的。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
验证代码根据已知变量的地址打印它虚表对应的地址进行对比
#includeiostream
using namespace std;
int main()
{int a 1;cout 栈: a endl;int* b new int;cout 堆 b endl;const char* str abc;cout 常量区 (void*)str endl;static int c 1;cout 静态区/数据段/代码段: c endl;Base be;cout 虚表: (void*)(*(int*)(be)) endl;return 0;
}可以看出虚表和代码段的地址相邻最近 4.2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 people)
{people.BuyTicket();
}void Test()
{Person zhangsan;Func(zhangsan);Student John;Func(John);
}int main()
{Test();return 0;
}观察下图的红色箭头我们看到people是指向zhangsan对象时people-BuyTicket在zhangsan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people是指向john对象时people-BuyTicket在john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。 反过来思考我们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。反思一下为什么 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取找的。不满足多态的函数调用时编译时确认好的。 void Func(Person* p)
{p-BuyTicket();
}
int main()
{Person zhangshan;Func(zhangshan);zhangshan.BuyTicket();return 0;
}
// 以下汇编代码中跟你这个问题不相关的都被去掉了
void Func(Person* p)
{//...p-BuyTicket();// p中存的是zhangshan对象的指针将p移动到eax中001940DE mov eax, dword ptr[p]// [eax]就是取eax值指向的内容这里相当于把zhangshan对象头4个字节(虚表指针)移动到了edx001940E1 mov edx, dword ptr[eax]// [edx]就是取edx值指向的内容这里相当于把虚表中的头4字节存的虚函数指针移动到了eax00B823EE mov eax, dword ptr[edx]// call eax中存虚函数的指针。这里可以看出满足多态的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。001940EA call eax00头1940EC cmp esi, esp
}
int main()
{//...// 首先BuyTicket虽然是虚函数但是zhangshan是对象不满足多态的条件所以这里是普通函数的调//用转换成地址时是在编译时已经从符号表确认了函数的地址直接call 地址zhangshan.BuyTicket();00195182 lea ecx, [zhangshan]00195185 call Person::BuyTicket(01914F6h)//...
}4.3 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。 5.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
5.1 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;
};int main()
{Base B;Derive D;return 0;
}观察下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 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;
};typedef void(*VFPTR) ();void printBTable(VFPTR vTable[])
{// 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cout 虚表地址 vTable endl;for (int i 0; vTable[i] ! nullptr; i){printf(第%d个虚函数地址0x%x-, i, vTable[i]);VFPTR f vTable[i];f();}cout endl;
}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。VFPTR* vTableb (VFPTR*)(*((int*)B));printBTable(vTableb);VFPTR* vTabled (VFPTR*)(*((int*)D));printBTable(vTabled);return 0;
} 5.2 多继承中的虚函数表
class Base1 {
public:virtual void func1() { cout Base1::func1 endl; }virtual void func2() { cout Base1::func2 endl; }
private:int b1;
};
class Base2 {
public:virtual void func1() { cout Base2::func1 endl; }virtual void func2() { cout Base2::func2 endl; }
private:int b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:virtual void func1() { cout Derive::func1 endl; }virtual void func3() { cout Derive::func3 endl; }
private:int d1;
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{cout 虚表地址 vTable endl;for (int i 0; vTable[i] ! nullptr; i){printf( 第%d个虚函数地址 :0X%x,-, i, vTable[i]);VFPTR f vTable[i];f();}cout endl;
}
int main()
{Base1 b1;Base2 b2;Derive d;VFPTR* vTableb1 (VFPTR*)(*(int*)d);PrintVTable(vTableb1);VFPTR* vTableb2 (VFPTR*)(*(int*)((char*)d sizeof(Base1)));PrintVTable(vTableb2);return 0;
}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 5.3. 菱形继承、菱形虚拟继承
实际中我们不建议设计出菱形继承及菱形虚拟继承一方面太复杂容易出问题另一方面这样的模型访问基类成员有一定得性能损耗。所以菱形继承、菱形虚拟继承我们的虚表我们就不看了一般我们也不需要研究清楚因为实际中很少用。如果好奇心比较强的可以去看下面的两篇链接文章。
C 虚函数表解析
C 对象的内存布局 6. 继承和多态常见的面试问题
6.1 选择题 下面程序输出结果是什么? #includeiostream
using namespace std;
class A{
public:A(char *s) { cout s endl; }~A(){}
};
class B :virtual public A
{
public:B(char *s1, char*s2) :A(s1) { cout s2 endl; }
};
class C :virtual public A
{
public:C(char *s1, char*s2) :A(s1) { cout s2 endl; }
};
class D :public B, public C
{
public:D(char *s1, char *s2, char *s3, char *s4) :C(s1, s3),B(s1, s2), A(s1){cout s4 endl;}
};
int main() {D *p new D(class A, class B, class C, class D);delete p;return 0;
}Aclass A class B class C class D Bclass D class B class C class A Cclass D class C class B class A Dclass A class C class B class D
解析首先可以排除答案BC因为构造函数是先走的初始化列表最后才进函数体那就意味着class D是最后打印的再次这里是棱形虚拟继承class B 和class C 共享一个class A,所以A只会被初始化一次又因为初始化列表的初始化顺序是跟它在初始化列表的顺序没有任何关系只跟它的继承顺序或者声明顺序有关这里是先继承的B所以会进入B的构造函数但是在初始化B的时候A是B的基类所以又会进入A的构造函数所以第一个打印的是class A,然后到class B,再初始化C打印class C答案选A
1的扩展题如果我把上面的棱形虚拟继承改成了棱形继承那么会输出什么?
#includeiostream
using namespace std;
class A{
public:A(char *s) { cout s endl; }~A(){}
};class B : public A
{
public:B(char *s1, char*s2) :A(s1) { cout s2 endl; }
};class C :public A
{
public:C(char *s1, char*s2) :A(s1) { cout s2 endl; }
};class D :public B, public C
{
public:D(char *s1, char *s2, char *s3, char *s4) :C(s1, s3),B(s1, s2){cout s4 endl;}
};
int main() {D *p new D(class A, class B, class C, class D);delete p;return 0;
}解析不管怎么样class D一定是最后打印的道理如上。与上面不同的这里没有了虚拟继承那就意味着B和C同时拥有一份A并不会像上面虚拟继承那样共享A(参考继承章节的虚拟继承),顺序还是想上面那样先构造B然后C,有因为各自有一份A所以在初始化B或者C的时候会先调用A的构造函数因此会比上面虚拟继承多打印一个A。 多继承中指针偏移问题下面说法正确的是( ) class Base1 { public: int _b1; };
class Base2 { public: int _b2; };
class Derive : public Base1, public Base2 { public: int _d; };
int main(){Derive d;Base1* p1 d;Base2* p2 d;Derive* p3 d;return 0;
}Ap1 p2 p3 Bp1 p2 p3 Cp1 p3 ! p2 Dp1 ! p2 ! p3
答案:C
解析跟派生类的对象是可以直接赋值给基类的会发生切片指向派生类从自己继承过去的那部分 以下程序输出结果是什么 class A
{
public:virtual void func(int val 1){ std::cout A- val std::endl; }virtual void test(){ func(); }
};
class B : public A
{
public:void func(int val 0){ std::cout B- val std::endl; }
};
int main(int argc, char* argv[])
{B*p new B;p-test();return 0;
}A: A-0 B: B-1 C: A-1 D: B-0 E: 编译出错 F: 以上都不正确 解析:p类型是B*是派生类的指针,它在调用基类的test的时候是同过基类的this指针调用的test里又调用的func,这里满足了多态的条件会调用派生类的func所以会打印的class B中的func函数但是不一样的是基类对val的缺省值才是最终要确定的值也就是无论如何你只要是通过基类调用的形成了多态条件那么缺省值看的是基类的缺省值。 扩展:如果func不是虚函数呢会打印什么 会直接调用基类的func,因为不满足多态条件 class A
{
public:void func(int val 1){ std::cout A- val std::endl; }virtual void test(){ func(); }
};
class B : public A
{
public:void func(int val 0){ std::cout B- val std::endl; }
};
int main(int argc, char* argv[])
{A*p new B;p-test();return 0;
}下面哪种面向对象的方法可以让你变得富有( ) A: 继承 B: 封装 C: 多态 D: 抽象 ( )是面向对象程序设计语言中的一种机制。这种机制实现了方法的定义与具体的对象无关而对方法的调用则可以关联于具体的对象。 A: 继承 B: 模板 C: 对象的自身引用 D: 动态绑定 面向对象设计中的继承和组合下面说法错误的是 A继承允许我们覆盖重写父类的实现细节父类的实现对于子类是可见的是一种静态复用也称为白盒复用 B组合的对象不需要关心各自的实现细节之间的关系是在运行时候才确定的是一种动态复用也称为黑盒复用 C优先使用继承而不是组合是面向对象设计的第二原则 D继承可以使子类能自动继承父类的接口但在设计模式中认为这是一种破坏了父类的封 装性的表现 以下关于纯虚函数的说法,正确的是( ) A声明纯虚函数的类不能实例化对象 B声明纯虚函数的类是虚基类 C子类必须实现基类的纯虚函数 D纯虚函数必须是空函数 关于虚函数的描述正确的是( ) A派生类的虚函数与基类的虚函数具有不同的参数个数和类型 B内联函数不能是虚函数 C派生类必须重新定义基类的虚函数 D虚函数可以是一个static型的函数 关于虚表说法正确的是 A一个类只能有一张虚表 B基类中有虚函数如果子类中没有重写基类的虚函数此时子类与基类共用同一张虚表 C虚表是在运行期间动态生成的 D一个类的不同对象共享该类的虚表 假设A类中有虚函数B继承自AB重写A中的虚函数也没有定义任何虚函数则 AA类对象的前4个字节存储虚表地址B类对象前4个字节不是虚表地址 BA类对象和B类对象前4个字节存储的都是虚基表的地址 CA类对象和B类对象前4个字节存储的虚表地址相同 DA类和B类虚表中虚函数个数相同但A类和B类使用的不是同一张虚表 参考答案
4.A 5.D 6.C 7.A 8.B 9.D 10.D 6.2 问答题 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 答不能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。 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 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 什么是抽象类抽象类的作用 答参考3.抽象类。抽象类强制重写了虚函数另外抽象类体现出了接口继承关系 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。参考下文内容(也可以参考上面虚函数的重写)
虚析构和纯虚析构
多态使用时如果子类中有属性开辟到堆区那么父类指针在释放时无法调用到子类的析构代码
解决方式将父类中的析构函数改为虚析构或者纯虚析构
虚析构和纯虚析构共性
可以解决父类指针释放子类对象都需要有具体的函数实现
虚析构和纯虚析构区别
如果是纯虚析构该类属于抽象类无法实例化对象
虚析构语法
virtual ~类名(){}
纯虚析构语法 virtual ~类名() 0;
类名::~类名(){}
