多态的定义及原理

2023-11-08

一、多态的概念和定义

1.多态的概念

        多态(Polymorphism)同字面意思意为多种形态,本质就是不同对象完成同一行为产生的不同结果。

2.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。在继承中要构成多态需要有两个条件:

        (1)必须通过基类的指针或者引用调用虚函数。

        (2)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:被virtual修饰的类的非静态成员函数

2.1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。

        在基类的虚函数加virtual情况下,派生类的虚函数不加virtual关键字也能构成重写,但这种写法不规范并不建议这样写。

有些情况不满足上述重写的条件也能构成重写。

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。

        (2)析构函数的重写。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。

两个关键字:
        
final:修饰虚函数,表示该虚函数不能再被重写,virtual void A() final {};

        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。

重载、重写、重定义的概念区分

        

 

3.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。

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
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
 

 二、多态的原理

1.虚函数表

class A
{
public:
    virtual void a() {cout<<"a"<<endl;}
private:
    int _a;
}

     据以往C语言的经验,上述类的大小为4Bytes,可实际它在32位平台下却显示8Bytes,除了_a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。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(这里其实存的也不是虚函数的地址而是跳转到虚函数的地址),虚函数表也简称虚表。

        虚表是属于类的,而不是属于某个具体的对象,一个类只需要一个虚表即可。同一个类的所有对象都使用同一个虚表。当类的对象在创建时便拥有了虚函数表指针,且这个指针的值会自动被设置为指向类的虚表。

派生类虚表的生成: 

     (1).先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中

     (2).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).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。

     (4)同类型的对象,虚表指针是相同的,指向同一张代码段的虚函数表。

2.构成多态的原理

        构成多态的条件之一:派生类对基类的虚函数进行了重写。重写的过程就是派生类对基类的虚函数表指针及对应虚函数的覆盖。构成多态的条件之二:必须是基类的指针或引用。本质就是基类的指针或引用指向谁(基类或派生类)就去谁的虚函数表中找到对应虚函数进行调用。

3.使用代码调用虚函数表中的虚函数

typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(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;
}

class A
{
private:
    virtual void a() {cout<<"a"<<endl;}
    int _a;
}

int main()
{
    A a;
    
    VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(void**)&a);
    PrintVTable(vTableb);
    return 0;
   
}

        我们看到即便虚函数是私有成员,我们也可以通过虚函数指针找到虚函数表中的函数指针,从而进行调用。

4.多继承关系的虚函数表

        派生类继承多个基类时和单继承类似,含有多个虚函数的基类则拷贝多个虚函数表指针。如果派生类重写了虚函数则覆盖,且如果重写了多个基类的虚函数,各个虚函数表中被重写的同一虚函数都指向同一个。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。


 

        

  

       

        


 

        

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