【C++】多态(万字详解) —— 条件 | 虚函数重写 | 抽象类 | 多态的原理
🌈欢迎来到C++专栏~~多态
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多态
- 🌈欢迎来到C++专栏~~多态
- 一. 多态的概念
- 二. 多态的定义及实现
- 🌈多态的条件
- 🌈虚函数重写的两个特例
- 🥑协变
- 🥑析构函数的重写
- 🌈只有父类带 virtual 的情况
- 🌈C++11 final & override
- 🥑final
- 🥑override
- 三. 重载 vs 重写 vs 隐藏
- 四. 抽象类
- 五. 多态的原理
- 🔥虚函数表
- 🔥多态的原理
- 🔥小细节
- 🔥虚函数表在哪
- 六. 单继承和多继承关系中的虚函数表
- 💦打印虚函数表
- 💦单继承的虚函数表
- 💦多继承的虚函数表
- 💦菱形继承的虚函数表
- 七. 常见考点总结
- 八. 经典题型讲解
- 1️⃣杀手题目
- 2️⃣杀手题目
- 📢写在最后
一. 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
比如买票,我们想让不同身份的人,买票的价格不同,就可以借助多态实现
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; }
};
class Soldier : public Person
{
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "优先买票" << endl; }
};
void Func(Person& p)//父类的指针/引用
{
p.BuyTicket();//虚函数重写
}
int main()
{
Person ps;
Student st;
Soldier sd;
Func(ps);//传父类对象 —— 调父类的
Func(st);//传子类对象 —— 调子类的
Func(sd);//传子类对象 —— 调子类的
return 0;
}
其中子类的函数满足 三同(返回值类型、函数名、参数列表完全相同)的虚函数这两个条件,叫做重写(覆盖)
ps:此时的函数名相同,但是不构成隐藏,不满足三同的才叫做隐藏
这样就可以什么人对应什么政策
二. 多态的定义及实现
🌈多态的条件
🥑多态有两个条件,缺一不可:
- 必须通过父类的 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:被
virtual
修饰的类成员函数 - 重写要求 :
虚函数
+ 三同(父类和子类的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)(形参名和缺省参数名不一样不影响)
- 虚函数:被
- 构成多态,传的哪个类型的对象,调用的就是哪个类型的虚函数 - 跟对象有关
- 不构成多态,调用的就是p类型函数 - 跟类型有关
下面进行验证:如果用对象来调用,够不够构成多态
void Func(Person p)
{
p.BuyTicket();
}
我们思考为什么一定要是父类的指针或引用呢?为什么是父类?为什么是指针和引用?
- 因为只有
指针
和引用
访问才能实现晚绑定,如果使用的是对象的话,在编译期间就已经绑定完毕了(也就是已经确定call
好了地址了),也就不能实现多态 - 我们知道一个子类的第一个成员是父类成员,父类下的第一个就是虚表指针,我们是要通过父类指针来找到这个虚表的!如果是通过子类去访问就是静态绑定,不能达到动态调节
没有重写的话,是编译时决定还是运行时决定地址?
调试打开反汇编可以看见是运行时决定的
此处的编译器并没有完全检查你是否重写,只是初略的检查是否是虚函数以及父类指针调用,但是调用的还是同一个虚函数,因为没有完成覆盖
🌈虚函数重写的两个特例
🥑协变
协变,返回值可以不同,但要求必须是父子关系的指针或者引用
实际上用的不多
🥑析构函数的重写
如果析构函数构是虚函数,这里构成重写吗?yes!但是他们的函数名不相同啊,因为析构函数名被特殊处理了,都处理成了destructor()
,至于为什么要特殊处理,就是源于多态
//建议在继承中析构函数定义成虚函数
class Person {
public:
virtual ~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
//析构函数名会被处理成destructor,所以完成了重写
virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
int main()
{
Person p;
Student s;
return 0;
}
普通的场景下是没有出现问题的,但是有特殊的场景!要记住,面试高频考点
✨ 那什么场景下,析构函数要是虚函数呢?
Person* ptr1 = new Person;
delete ptr1;
Person* ptr2 = new Student;
delete ptr1;
如果不是虚函数,那也就不构成多态,那与类型有关,都会去调用父类的析构函数,但是这样会导致子类对象可能有资源未被清理,我们希望的是父类调用父类,指向子类调用子类的(完了再调用父类),这样是不是就符合我们多态的理念
析构函数的重写很简单,因为函数名“相同”,没有参数,加一个virtual
就可以
在其他场景,析构函数是不是虚函数都可以
🌈只有父类带 virtual 的情况
虚函数,允许父子类两个都是虚函数 或 只有父类是虚函数也行。这其实是C++不是很规范的地方,建议两个都写上virtual
这是因为虽然子类没带virtual
,但是它 继承了父类的虚函数属性,重写是实现
🌈C++11 final & override
🥑final
final有两个功能
- 修饰一个类,这个类不能被继承
- 修饰虚函数,限制它不能被子类中的虚函数重写
C++11中final
还可以限制重写
修饰虚函数,限制它不能被子类中的虚函数重写
🥑override
override
放在子类重写的虚函数后面,帮助检查是否完成重写,没有重写会报错
类似于核酸检测,,没有做就报错(做核酸魔怔了)
三. 重载 vs 重写 vs 隐藏
四. 抽象类
💛 包含纯虚函数的类叫做抽象类(接口类)。在虚函数的后面写上=0
,则这个函数为纯虚函数
纯虚函数一般只声明,不实现,抽象类不能实例化出对象;相当于间接强制你重写!
即使我们创造了一个子类对象,其派生类继承后也不能实例化出对象,因为继承了抽象类后,这个派生类就继承了纯虚函数,那它同样也是一个抽象类!
只有重写纯虚函数,派生类才能实例化出对象。所以呀,抽象类本质上强制继承它的子类完成虚函数重写
class Car
{
public:
virtual void Drive() = 0;
};
class BMW: public Car
{
public:
virtual void Drive()
{
cout << "操控——好开" << endl;
}
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive()
{
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
int main()
{
//BMW b;
Car* ptr = new BMW;
ptr->Drive();
Car* ptr = new Benz;
ptr->Drive();
return 0;
}
ps: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,重写的是实现。所以如果不实现多态,不要把函数定义成虚函数
五. 多态的原理
🔥虚函数表
⚡引入
// 其中sizeof(Base)是多少?
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
char _ch = 'A';
};
int main()
{
cout << sizeof(Base) << endl;
}
如果我只考虑到了内存对齐的话,答案就是8
但此处的考点不仅仅只有内存对齐,真正考察的是多态,那究竟是什么东西的存在多了4个字节
通过监视窗口,发现这个对象多了一个成员,虚函数表指针_vfptr
(virtual function table)(简称虚表指针) ,所谓的虚函数表就是一个指针数组,里面存放的是函数指针(放的是虚函数地址),一般这个数组的最后面放了一个nullptr
——
虚函数等等的函数都是放在代码段的!
记住对象里面没有虚表,只有指向虚表的指针;
🔥多态的原理
虚函数表是理解多态原理的关键,下面将在底层剖析
class Person {
public:
virtual void BuyTicket()
{ cout << "买票-全价" << endl; }
protected:
int _a = 0;
};
class Student : public Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{ cout << "买票-半价" << endl; }
protected:
int _b = 0;
};
void Func(Person& p) {
p.BuyTicket();
}
int main()
{
Person Scort;
Func(Scort);
Student Durant;
Func(Durant);
return 0;
}
虚函数的“重写”也叫“覆盖”,重写是语法上的概念,覆盖是原理层的概念;子类继承父类的虚函数,可以认为深拷贝了一份虚函数表,没有重写时,子类与父类虚表完全相同;若重写了,便会用新地址覆盖。
🍂转到反汇编可以发现:
- 对于普通成员函数的调用,是在编译后就已经确定了调用地址(橙色的);
- 给父类/子类对象,调用虚函数
p.BuyTichet()
的汇编代码却是相同的,那就说明此时调用函数时,不再是直接确定地址,而是借助了eax
这个寄存器,这是多态原理的关键
(汇编不要求全部看懂,懂大概意思就可)
🟢多态的本质原理,基类的指针/引用指向谁,就去谁的虚函数表中找到对应位置的虚函数进行调用,这是在运行中确定的,所以叫动态的多态
而普通函数,在编译链接的时候已经确定了函数运行地址,直接调用即可
🔥小细节
p1和p2是共用一个虚表吗?
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票——全价" << endl; }
};
int main()
{
Person p1;
Person p2;
return 0;
}
结论是:同一类型的对象共用一个虚表
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; }
};
int main()
{
Person p1;
Person p2;
Student s1;
Student s2;
return 0;
}
结论:vs下,不管是否完成重写,子类虚表和父类的虚表不是同一个
🔥虚函数表在哪
那虚表在哪里呢?我们就铺垫过虚函数表不能修改,所以我猜测是在常量区的
我们写一段代码来验证一下 ——
所以,虚函数表是存在“常量区”的
int main()
{
int* ptr = (int*)malloc(4);
printf("heap: %p\n", ptr);
int a = 0;
printf("stack: %p\n", &a);
static int s = 0;
printf("数据段:%p\n", &s);
const char* p = "always";
printf("常量区:%p\n", p);
printf("代码段:%p\n", &Base::func1);
Base b;
// 取对象头4/8个字节 —— 强转(Base* -> int*) —— 再解引用拿到_vfptr
printf("虚函数表: %p\n", *((int*)&b));
return 0;
}
六. 单继承和多继承关系中的虚函数表
首先我们要再来观察如下代码在监视窗中的状况,这儿vs起到了很好的误导作用,我们来一一揭秘
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票——全价" << endl; }
virtual void func1()
{}
};
class Student :public Person {
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票——半价" << endl; }
virtual void func2()
{}
};
int main()
{
Person p1;
Person p2;
Student s1;
Student s2;
return 0;
}
ps:子类的虚函数在监视窗口是看不见的
但是func2
还是要进虚表的
💦打印虚函数表
有时虚函数地址被隐藏掉了,之前我们只能在内存窗口中观察,现在我们来学习打印虚函数表
虚函数表中都是函数指针,函数指针如何定义变量还记得吗,不是函数名不是定义在最后的,而是混杂其中的,我们在typedef
时,依然保留了这个原则
//typedef void(*)() VFPTR; 这样定义是编译不过的,要像函数指针定义一样
typedef void(*VFPTR)();
//打印虚函数表 vs下虚表最后才有nullptr,linux下没有
void PrintfVFTable(VFPTR table[])
{
for (size_t i = 0; table[i] != nullptr; i++)
{
printf("vtf[%d]:%p", i, table[i]);
VFPTR pf = table[i];
pf();
}
}
那么在调用这个函数的时候,就需要传入虚函数表的地址,即指针数组的(首元素)地址,即对象中的虚表指针_vfptr
问题就转化成了如何取到对象头4/8个字节呢?
两个没有关系的类型(int 和 student),是没办法直接强转成int,那取&
个地址,变成student* 再转成 int*
,可是传入的参数类型还不匹配,那就再(VF_PTR*)
强转一下 ——
//取对象头部虚函数表指针传递过去
PrintfVFTable((VFPTR *)(*(int*)&s1));
一步步理顺:先&s1,变成student*,再强转成(int*)解引用就是开头的4个字节了,形参是VF_PTR[]
,类型是(VF_PTR*)
,最后再强转一下即可
出现打印不全的情况,只需要重新生成一下解决方案即可
PrintVFTable((VF_PTR*)(*(int*)&b)); // 32位
PrintVFTable((VF_PTR*)(*(long long*)&b)); // 64位
PrintVFTable((VF_PTR*)(*(void**)&b)); // 32/64位
- 32位平台,用
(int*)
强转 - 64位平台,用
(long long*)
强转
此处为什么就是void**
?(int*)
解引用看一个int的大小,(long long*)
解引用看的是long long的大小,void*
不能解引用,这(void**)
解引用看的是void* 的大小,void* 的大小就和平台相关
记住我们要取的是对象头四个子杰中的内容而不是地址,这就是为什么要*
解引用的作用
实际传的是二级指针
Linux下的写法与调用:
//Linux下:
void PrintfVFTable(VFPTR* table, size_t n)
{
for (size_t i = 0; i < n; i++)
{
printf("vtf[%d]:%p ->", i, table[i]);
VFPTR pf = table[i];
pf();
}
}
PrintfVFTable((VFPTR *)(*(int*)&s1, 3);
💦单继承的虚函数表
class Person
{
private:
virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
private:
int _a = 0;
};
class Student :public Person
{
public:
virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
void fun4() { cout << "func4()" << endl; }
private:
int _b = 1;
};
//void(*ptr)();//函数指针
//typedef void(*)() VFPTR; 这样定义是编译不过的,要像函数指针定义一样
typedef void(*VFPTR)();
//打印虚函数表 vs下虚表最后才有nullptr,linux下没有
//void PrintfVFTable(VFPTR table[])
//Linux下:
void PrintfVFTable(VFPTR* table, size_t n)
{
for (size_t i = 0; i < n; i++)
{
printf("vtf[%d]:%p ->", i, table[i]);
VFPTR pf = table[i];
pf();
}
}
int main()
{
Person p1;
PrintfVFTable((VFPTR*)(*(int*)&p1), 2);
cout << endl;
Student s1;
PrintfVFTable((VFPTR *)(*(int*)&s1),3);
return 0;
}
💦多继承的虚函数表
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()
{
Derive d;
VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
PrintVTable(vTableb1);
VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1)));
PrintVTable(vTableb2);
return 0;
}
我们首先来算一下Derive
的大小
还是那句话:vs下无法检测到子类新增的虚函数,虚函数总会放进虚表的嘛,那究竟是放进第一个虚表还是第二个虚表呢
我们打印一下虚表可以发现:func3在第一个虚表中
那我们怎么样打印Base2的虚表呢?
//正常方法
PrintVTable((VFPTR*)*((int*)((char*)&d + sizeof(Base1))));
//切片方法
Base2* ptr = &d;
PrintVTable((VFPTR*)*((int*)(ptr)));
可见func3()
放进了第一个虚表中
并且即使子类重写了func1
后,你发现这对象虚表中,Base1和Base2的虚函数func1
的地址不一样,你早就不应该感到惊奇,因为这时jmp
跳转指令的地址,最终会一跳到同一位置执行函数Derive::func1
的 ——
发现p2->func1()
调用函数时,还跳了好多层。这是为了做准备工作ecx-8
,修正this指针(eax
),为什么呢?调用虚函数时,要传递this指针,-8由指向Base1
到指向Base2
,从而看到对应类型视角下的那部分
💦菱形继承的虚函数表
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。可以去看下面的两篇链接:
C++ 虚函数表解析 | 酷 壳 - CoolShell
C++ 对象的内存布局 | 酷 壳 - CoolShell
还是简简单单的说一下吧,继续来上一段老代码
class A
{
public:
virtual void f()
{}
public:
int _a;
};
class B : virtual public A
{
public:
int _b;
};
class C : virtual public A
{
public:
int _c;
};
class D : public B, public C
{
public:
int _d;
};
int main()
{
D d;
d.B::_a = 1;
d.C::_a = 2;
d._b = 3;
d._c = 4;
d._d = 5;
//d._a = 0; //不存在二义性,可以直接找
return 0;
}
在,菱形继承中,如果B和C都重写了A的虚函数func1
,那么D必须重写func1,否则会报错“D”:“void A::f1(void)”的不明确继承,因为这儿是虚继承,共用一个虚表,不知道用哪个重写
public:
virtual void f1() {}
public:
int _a;
};
class B : virtual public A
{
public:
virtual void f1() {}
virtual void f2() {}
public:
int _b;
};
class C : virtual public A
{
public:
virtual void f1() {}
virtual void f2() {}
public:
int _c;
};
class D : public B, public C
{
public:
virtual void f1() {}
public:
int _d;
};
int main()
{
D d;
d.B::_a = 1;
d.C::_a = 2;
d._b = 3;
d._c = 4;
d._d = 5;
return 0;
}
我们说过虚基表中,曾经内容是00000000
是为其他东西预留的,那它究竟是什么呢?这是找虚表的偏移量。
虚基表存的是偏移量,用来解决数据冗余和二义性
虚函数表是存放虚函数的,解决多态
所以通俗一点的说,菱形继承谁用谁…
七. 常见考点总结
- 什么是多态?
- 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)?
- 多态的实现原理?
- inline函数可以是虚函数吗?
答:不可以,因为内联函数没有地址,但是虚函数地址要被填入到虚表中。不过是可以编译通过的,因为inline只是个建议,到底有没有展开要视情况而定:若调用时不构成多态,保持inline属性;若构成多态,则没有inline属性。 - 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。 - 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。 - 构造函数可以是虚函数吗?
答:拷贝构造也是构造函数,也有初始化列表,答案和构造一样 - 赋值函数可以是虚函数吗?
答:语法上可以,但是没有意义 - 对象访问普通函数快还是虚函数更快?
答:虚函数不构成多态就一样快,虚函数构成多态的调用,普通函数快,因为多态调用时运行时决议。 - 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?
答:注意这里不要把虚函数表和虚基表搞混了。 - 什么是抽象类?抽象类的作用?
答:查上面的。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
八. 经典题型讲解
1️⃣杀手题目
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
本题很老六,不仅仅考了1️⃣多态还考了2️⃣接口继承的概念
- 首先
test
函数不满足多态,func
函数满足多态(); - p是指向子类B的,指针p传给test中的
this指针
是发生了切片(因为是子类指针p传给父类指针this
) this
传给func函数,this指向的是子类B,所以func函数调用的就是子类B的func
到这里答案是不是要选D,但是还有一个细节- 此处的value值是1,为什么呢?因为重写是 接口继承,普通函数是实现继承。接口继承就是函数主体架子都不变,直接拿去使用(加不加virtual、缺省值相不相同无所谓),重写了是实现的部分
答案选B
改编:这样的话答案是选什么呢?
int main(int argc, char* argv[])
{
A* p = new B;
p->test();
return 0;
}
- 答案没变还是选B,只是切片的地方发生了改变,
A* p = new B
,此处就发生了切片,this指针还是指向子类B的,所以调用func函数也会调用子类的! - 正好符合多态的原理:基类的指针/引用指向谁,就去谁的虚函数表中找到对应位置的虚函数进行调用
- 如果是
A* p = new A
,就是调用父类A的
2️⃣杀手题目
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) :B(s1, s2), C(s1, s3), A(s1)
{
cout << s4 << endl;
}
};
int main() {
D* p = new D("class A", "class B", "class C", "class D");
delete p;
return 0;
}
A:class A class B class C class D B:class D class B class C class A
C:class D class C class B class A D:class A class C class B class D
- 首先A不会重复的初始化,而且是按照声明顺序来的,所以先初始化A
- A不会在B和C中初始化,因为D中只有一份A,在其他两个中初始化都不合适,只能在D中
所以答案选A
📢写在最后
恭喜球王梅西圆梦!