C++多态与虚函数的实现
文章目录
- 多态
- 问题抛出
- 面向对象新需求
- 多态的意义探究
- 面向对象三大概念:
- 多态成立的三要素:
- 虚析构
- 函数的重载、重写、重定义
- 函数重载
- 函数重定义
- 虚函数重写
- 纯虚函数和抽象类
- 纯虚函数
- 抽象类
- 概念理解
- 抽象类特征
- 关键字
- abstract
- final
- 多态探究
- 多态的理论基础
- 多态的本质(原理)
- 如何证明vptr指针存在
- 如何找到vptr指针呢
多态
问题抛出
如果子类定义了与父类中原型相同的函数会发生什么?
面向对象新需求
对于上面这种现象,编译器的做法不是我们期望的,我们期望的是
根据实际的对象类型来判断重写函数的调用
如果父类指针指向的是父类对象,则调用父类中定义的函数
如果父类指针指向的是子类对象,则调用子类中定义的重写函数
解决方案:
- 在父类中,在能让子类重写的函数的前面加上virtual关键字(必须)
- 在子类中,在重写的父类的虚函数后面加上override,表示是虚函数重写(非必须,但是加上可以防止重写的虚函数写错)
多态的意义探究
面向对象三大概念:
封装:突破了C语言函数的概念
继承:代码复用——可以用以前人写的代码
多态:可以使用未来人写的代码
案例:打印矩形和圆形坐标和面积
矩形:x,y,length,width
圆形:x,y,radius
思路:
- 矩形和圆形都有共同的属性(x,y),那么可以把坐标抽取出来,定义一个形状类为父类,形状类中包含坐标,并提设置和访问方法以及获取面积的方法。
- 定义一个矩形类,继承自形状类;并增加length和width属性
- 定义一个圆形类,继承自形状类;并增加radius属性
- 写一个测试类,定义相应的方法来实现功能
多态成立的三要素:
要有继承
:多态发生在父子类之间
2. 要有虚函数重写
:重写了虚函数,才能进行动态绑定
3. 要有父类指针(引用)指向子类对象
多态是设计模式的基础,多态是框架的基础
虚析构
构造函数不能是虚函数。建立一个派生类对象时,必须从类层次的根开始,沿着继承路径逐个调用基类的构造函数
析构函数可以是虚的。通过父类指针释放所有的子类资源
class Base
{public:Base(){cout << __FUNCSIG__ << endl;}virtual ~Base(){cout << __FUNCSIG__ << endl;}
};class Derive : public Base
{private:char* _str;
public:Derive(){_str = new char[10]{ "顽石老师" };cout << __FUNCSIG__ << endl;}~Derive(){delete _str;cout << __FUNCSIG__ << endl;}
};int main()
{Base* base = new Derive;delete base; //父类写了虚析构,通过父类指针释放对象的时候,才会调用子类的析构函数return 0;
}
函数的重载、重写、重定义
函数重载
必须在同一个类中进行(作用域相同)
子类无法重载父类的函数,父类同名函数将被名称覆盖
重载是在编译期间根据参数类型和个数决定函数调用
函数重定义
- 发生于父类和子类之间,如果子类写了个和父类函数原型一样的函数,并且父类中的函数没有声明为虚函数,则子类会直接覆盖掉父类的函数
- 通过父类指针或引用执行子类对象时,会调用父类的函数
虚函数重写
必须发生于父类和子类之间
并且父类与子类中的函数必须有完全相同的原型
使用virtual声明之后能够产生多态(如果不使用virtual,那叫重定义)
多态是在运行期间根据具体对象的类型决定函数调用
纯虚函数和抽象类
纯虚函数
纯虚函数是一种特殊的虚函数,在许多情况下,在基类中不能对虚函数给出有意义的实现,而把它声明为纯虚函数,它的实现留给该基类的派生类去做。这就是纯虚函数的作用。
纯虚函数也可以叫抽象函数,一般来说它只有函数名、参数和返回值类型,不需要函数体。这意味着它没有函数的实现,需要让派生类去实现。
C++中的纯虚函数,一般在函数签名后使用=0作为此类函数的标志。Java、C#等语言中,则直接使用abstract作为关键字修饰这个函数签名,表示这是抽象函数(纯虚函数)。
class Animal
{public:virtual void cry() = 0;
}
一个简单的图形纯虚函数的抽象类的例子:
//形状类:周长,面积
class Shape
{protected:int x;int y;
public:Shape() = default;Shape(int x, int y):x(x), y(y){}//访问器int getX() { return x; }int getY() { return y; }//设置器void setX(int x) { this->x = x; }void setY(int y) { this->y = y; }//有没有实际意义,唯一的作用就是让子类来重写,实现具体得功能//声明为纯虚函数virtual double getArea() = 0;
};//矩形类
class Rect :public Shape
{protected:int width;int length;
public:Rect() = default;Rect(int x, int y, int w, int len):Shape(x, y), width(w), length(len){}//error C3668: “Rect::getArea”: 包含重写说明符“override”的方法没有重写任何基类方法double getArea() override{return width * length;}
};//圆形类
class Circle :public Shape
{double radius; //半径
public:Circle() = default;Circle(int x, int y, int r):Shape(x, y), radius(r){}double getArea() override{return 3.14159265359 * radius * radius;}
};
//三角形类
class Triangle : public Rect
{public:using Rect::Rect;double getArea()override{return width * length / 2;}
};void dance(Shape& shape)
{cout << "area " << shape.getArea();
}
我们创建了形状类抽象基类,然后继承此抽象基类,其中把共同的方法定义为纯虚函数,即加 virtual 函数=0
。
使用overide
声明子类的函数表示这个函数是纯虚函数。
抽象类
抽象类是对问题领域进行分析、设计中得出的抽象概念,是对一系列看上去不同,但是本质上相同的具体概念的抽象。
通常在编程语句中用 abstract 修饰的类是抽象类。在C++中,含有纯虚拟函数的类称为抽象类,它不能生成对象;在java中,含有抽象方法的类称为抽象类,同样不能生成对象。
抽象类是不完整的,它只能用作基类。在面向对象方法中,抽象类主要用来进行类型隐藏和充当全局变量的角色。
概念理解
在面向对象的概念中,所有的对象都是通过类来描绘的,但是反过来,并不是所有的类都是用来描绘对象的,如果一个类中没有包含足够的信息来描绘一个具体的对象,这样的类就是抽象类。
比如,在一个图形编辑软件的分析设计过程中,就会发现问题领域存在着圆、三角形这样一些具体概念,它们是不同的,但是它们又都属于形状这样一个概念,形状这个概念在问题领域并不是直接存在的,它就是一个抽象概念。而正是因为抽象的概念在问题领域没有对应的具体概念,所以用以表征抽象概念的抽象类是不能够实例化的。
抽象类特征
- 抽象类不能实例化
- 抽象类和包含抽象方法(纯虚函数)、非抽象方法和属性
- 从抽象类派生的非抽象类,必须对继承过来的所有抽象方法实现
关键字
abstract
MSVC独有的关键字,申明类为抽象类
class Animal abstract
{};int main()
{Animal a; //error C3622: “Animal”: 声明为“abstract”的类不能被实例化return 0;
}
final
C++标准关键字,结束的意思
禁用虚函数重写
class Animal {protected:virtual void show() final{} };class Dog final :public Animal {public:void show()override //error C3248: “Animal::show”: 声明为“final”的函数无法被“Dog::show”重写{} };
禁止该类被继承
class Animal final {};class Dog final :public Animal //error C3246: "Dog": 无法从 "Animal" 继承,因为它已声明为 "final" {};
多态探究
多态的理论基础
静态联编和动态联编:联编是指一个程序模块、代码之间互相关联的过程。
静态联编(关联),是程序的匹配、连接在编译阶段实现,也称为早期匹配。
重载函数使用静态联编。
动态联编(关联),是指程序联编推迟到运行时进行,所以又称为动态联编(迟绑定),将函数体和函数调用关联起来,就叫绑定
switch 语句和 if 语句是动态联编的例子。
那么C++中的动态联编是如何实现的呢?
如果我们声明了类中的成员函数为虚函数,那么C++编译器会为类生成一个虚函数表,通过这个表即可实现动态联编
多态的本质(原理)
虚函数表是顺序存放虚函数地址的,虚表是顺序表(数组),依次存放着类里面的虚函数。
虚函数表是由编译器自动生成与维护的,相同类的不同对象的虚函数表是一样的。
既然虚函数表,是一个顺序表,那么它的首地址存放在哪里呢?其实当我们在类中定义了virtual函数时,C++编译器会偷偷的给对象添加一个vptr指针,vptr指针就是存的虚函数表的首地址。
如何证明vptr指针存在
我们可以通过求出类的大小判断是否有vptr的存在
class Dog
{void show() {}
};class Cat
{virtual void show() {}
};int main()
{cout << "Dog size:" << sizeof(Dog) << " Cat size:" << sizeof(Cat) << endl;return 0;
}
output: Dog size:1 Cat size:8
通过调试确实能看到vptr指针的存在,而且存放在对象的第一个元素
如何找到vptr指针呢
既然vptr指针存在,那么能不能拿到vptr指针,手动来调用函数呢?
答案是可以的,但是操作起来比较麻烦!下面我们就来挖一挖
因为vptr指针在对象的第一个元素(通过证明vptr指针的存在可以看出),所以对对象t取地址可以拿到对象的地址
Object* p = &obj;
现在拿到的指针的步长是对象的大小,因为vptr是指针,只有4/8个字节,所以需要把p强转成int*指针,这样对(int*)&t就得到了vptr指针
int vptr = *(int*)p; //拿到了vptr指针的指针 int* pvptr = (int*)vptr; //把vptr的值转成指针
因为vptr指针是指向的存储指针数组的首地址,所以拿到vptr指针后先把vptr转成int*指针,这样进行取值的话,刚好是每个指针
FUN foo = (FUN)*(pvptr+0)
接着把得到的数组里面的元素(指针)转成函数指针,即可直接使用了
using FUN = void (*)();Parent* p = &obj; long long vptr = *(long long*)p; long long* pvptr = (long long*)vptr; auto foo = (FUN)*(pvptr + 1); foo(); //output:Parent::fun(int i)
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