C++的多態(tài)與虛函數(shù)你了解嗎

更新時(shí)間：2022年03月27日 15:07:58 作者：悲傷土豆拌飯

這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了C++多態(tài)與虛函數(shù)，文中示例代碼介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們可以參考一下，希望能夠給你帶來幫助

多態(tài)性

多態(tài)性是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，若程序設(shè)計(jì)語言不支持多態(tài)性，不能稱為面向?qū)ο蟮恼Z言，利用多態(tài)性技術(shù)，可以調(diào)用同一個(gè)函數(shù)名的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)完全不同的功能

在C++中有兩種多態(tài)性：

編譯時(shí)的多態(tài)

通過函數(shù)的重載和運(yùn)算符的重載來實(shí)現(xiàn)的

運(yùn)行時(shí)的多態(tài)性

運(yùn)行時(shí)的多態(tài)性是指在程序執(zhí)行前，無法根據(jù)函數(shù)名和參數(shù)來確定該調(diào)用哪一個(gè)函數(shù)，必須在程序執(zhí)行過程中，根據(jù)執(zhí)行的具體情況來動(dòng)態(tài)地確定；它是通過類繼承關(guān)系public和虛函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，目的也是建立一種通用的程序；通用性是程序追求的主要目標(biāo)之一

通過引用或指針調(diào)用時(shí)，才可以達(dá)到運(yùn)行時(shí)的多態(tài)

虛函數(shù)

虛函數(shù)是一個(gè)類的成員函數(shù)，定義格式如下：

virtual 返回類型函數(shù)名（參數(shù)表）；

關(guān)鍵字virtual指明該成員函數(shù)為虛函數(shù)，virtual僅用于類定義中，如虛函數(shù)在類外定義，不可加virtual

我們來看下面代碼

class Animal
{
private:
	string name;
public:
	Animal(const string& na):name(na)
	{}
public:
	virtual void eat(){}
	virtual void walk(){}
	virtual void tail(){}
	virtual void PrintInfo(){}

	string& get_name()
	{
		return name;
	}
	const string& get_name()const
	{
		return name;
	}
};

class Dog :public Animal
{
private:
	string owner;
public:
	Dog(const string& ow, const string na) :Animal(na), owner(ow)
	{}
	virtual void eat() 
	{
		cout << "Dog Eat: bone" << endl;
	}
	virtual void walk() 
	{
		cout << "Dog Walk: run" << endl;
	}
	virtual void tail() 
	{
		cout << "Dog Tail: wangwang" << endl;
	}
	virtual void PrintInfo() 
	{
		cout << "Dog owner" << owner << endl;
		cout << "Dog name:" << get_name() << endl;
	}
};
class Cat :public Animal
{
private:
	string owner;
public:
	Cat(const string& ow, const string na) :Animal(na), owner(ow)
	{}
	virtual void eat()
	{
		cout << "Cat Eat: fish" << endl;
	}
	virtual void walk()
	{
		cout << "Cat Walk: silent" << endl;
	}
	virtual void tail()
	{
		cout << "Cat Tail: miaomiao" << endl;
	}
	virtual void PrintInfo()
	{
		cout << "Cat owner: " << owner << endl;
		cout << "Cat name: " << get_name() << endl;
	}
};
 // 需要公有繼承 公有繼承代表是一個(gè)的意思
 // 需要引用或指針調(diào)用
void fun(Animal& animal)
{
	animal.eat(); //對(duì)象名稱.虛方法()
	animal.walk();
	animal.tail();
	animal.PrintInfo();
}

int main()
{
	Dog dog("zyq", "hashiqi"); //const string& ow = "zyq"
	Cat cat("zyq", "bosimao");
	fun(dog);
	fun(cat);
	return 0;
}

在這里插入圖片描述

在這里我們可以看到，當(dāng)我們調(diào)用fun()函數(shù)時(shí)，傳入dog對(duì)象則調(diào)用Dog的方法，傳入cat調(diào)用Cat方法；這就是所謂的運(yùn)行時(shí)的多態(tài)

要想達(dá)到運(yùn)行時(shí)的多態(tài)（晚綁定）需要滿足：

公有繼承
有虛函數(shù)
必須以指針或引用方式調(diào)用虛函數(shù)

若發(fā)生早綁定，則會(huì)調(diào)用Animal類型的方法

成員函數(shù)應(yīng)盡可能的設(shè)置為虛函數(shù)，但必須注意一下幾條：

1.派生類中定義虛函數(shù)必須與基類中的虛函數(shù)同名外，還必須同參數(shù)表，同返回類型；否則被認(rèn)為是重載，而不是虛函數(shù)。如基類中返回基類指針，派生類中返回派生類指針是允許的，這是一個(gè)例外

2.只有類的成員函數(shù)才能說明為虛函數(shù)，這是因?yàn)樘摵瘮?shù)僅適用于有繼承關(guān)系的類對(duì)象

3.靜態(tài)成員函數(shù)，是所有同一類對(duì)象公有，不受限于某個(gè)對(duì)象，不能作為虛函數(shù)（友元函數(shù)也不可以）

4.實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多態(tài)性時(shí)，必須使用基類類型的指針變量或引用，使該指針指向該基類的不同派生類的對(duì)象，并通過該指針指向虛函數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的多態(tài)性

5.內(nèi)聯(lián)函數(shù)每個(gè)對(duì)象一個(gè)拷貝，無映射關(guān)系，不能作為虛函數(shù)

6.析構(gòu)函數(shù)可定義為虛函數(shù)，構(gòu)造函數(shù)不可以定義為虛函數(shù)，因?yàn)樵谡{(diào)用構(gòu)造函數(shù)時(shí)對(duì)象還沒有完成實(shí)例化；在基類中及其派生類中都動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存空間時(shí)，必須把析構(gòu)函數(shù)定義為虛函數(shù)，實(shí)現(xiàn)撤銷對(duì)象時(shí)的多態(tài)性

7.函數(shù)執(zhí)行速度要稍慢一些，為了實(shí)現(xiàn)多態(tài)性，每一個(gè)派生類中均要保存相應(yīng)虛函數(shù)的入口地址表，函數(shù)的調(diào)用機(jī)制也是間接實(shí)現(xiàn)；所以多態(tài)性總要付出一定代價(jià)，但通用性是一個(gè)更高的目標(biāo)

8.如果定義放在類外，virtual只能加在函數(shù)聲明前面，不能加載函數(shù)定義前面；正確的定義必須不包括virtual

虛函數(shù)是覆蓋，同名函數(shù)是隱藏

虛函數(shù)編譯過程

class Object
{
private:
	int value;
public:
	Object(int x = 0) :value(x)
	{}
	virtual void add()
	{
		cout << "Object::add" << endl;
	}
	virtual void fun()
	{
		cout << "Object::fun" << endl;
	}
	virtual void print()const
	{
		cout << "Object::print" << endl;
	}
};
class Base:public Object
{
private:
	int sum;
public:
	Base(int x = 0) :Object(x+10),sum(x)
	{}
	virtual void add()
	{
		cout << "Base::add" << endl;
	}
	virtual void fun()
	{
		cout << "Base::fun" << endl;
	}
	virtual void print()const
	{
		cout << "Base::print" << endl;
	}
};

int main()
{	
}

在這里插入圖片描述

此處虛函數(shù)表中進(jìn)行的是同名覆蓋，而不像繼承關(guān)系中，同名成員進(jìn)行隱藏，就近處理；虛函表僅有一份，存在數(shù)據(jù)區(qū)

在主函數(shù)創(chuàng)建對(duì)象

int main()
{
	Base base(10);
	Object* op = &base;
}

在這里插入圖片描述

可以看到base的大小為12字節(jié)，因?yàn)槠渲谢悓?duì)象Object，添加了虛表變?yōu)榱?字節(jié)，且在構(gòu)建過程，首先構(gòu)建Object基類，此時(shí)虛表指針指向Object的虛表，而接著構(gòu)建Base類的時(shí)候，會(huì)將虛表指針修改為指向Base的虛表

也就是，當(dāng)有虛函數(shù)時(shí)，構(gòu)造函數(shù)除了構(gòu)建對(duì)象初始化對(duì)象的數(shù)據(jù)成員外，還會(huì)將虛表的地址給到虛表指針;同時(shí)這也是構(gòu)造函數(shù)不可以作為虛函數(shù)的原因

int main()
{
	Base base(10);
	Object* op = NULL;
	Object obj(0);

	op = &base;
	op->add(); //指針或引用調(diào)動(dòng)，則采用運(yùn)行時(shí)多態(tài)
	op->fun();
	op->print();

	obj = base;
	obj.add(); //對(duì)象直接調(diào)動(dòng)，則采用編譯時(shí)多態(tài)
	obj.fun();
	obj.print();
}

在這里插入圖片描述

也就是我們通過，對(duì)象名.方法 的方式調(diào)用虛函數(shù)，則通過編譯時(shí)多態(tài)的方式

在這里插入圖片描述

運(yùn)行時(shí)的多態(tài)，是通過查詢虛表進(jìn)行調(diào)用；下面通過匯編進(jìn)一步查看

在這里插入圖片描述

只有進(jìn)行以指針調(diào)用或引用調(diào)用的時(shí)候才會(huì)對(duì)虛表進(jìn)行查詢

三層繼承

class Object
{
private:
	int value;
public:
	Object(int x = 0) :value(x)
	{}
	virtual void add()
	{
		cout << "Object::add" << endl;
	}
	virtual void fun()
	{
		cout << "Object::fun" << endl;
	}
	virtual void print()const
	{
		cout << "Object::print" << endl;
	}

	void fn_a()
	{
		fun();	
	}
};
class Base:public Object
{
private:
	int sum;
public:
	Base(int x = 0) :Object(x+10),sum(x)
	{}
	virtual void add()
	{
		cout << "Base::add" << endl;
	}
	virtual void fun()
	{
		cout << "Base::fun" << endl;
	}
	virtual void show()
	{
		cout << "Base::show" << endl;
	}
};
class Test :public Base
{
private:
	int num;
public:
	Test(int x = 0) :Base(x + 10)
	{}
	virtual void add()
	{
		cout << "Test::add" << endl;
	}
	virtual void print() const
	{
		cout << "Test::print" << endl;
	}
	virtual void show()
	{
		cout << "Test::show" << endl;
	}
};

在這里插入圖片描述

我們可以看到虛函數(shù)表，當(dāng)我們構(gòu)建派生類，會(huì)復(fù)制基類的虛函數(shù)表，將虛表指針指向新的虛函數(shù)表，并且將同名的虛函數(shù)進(jìn)行覆蓋

依舊使用上面代碼

/*
	void fn_a()
	{
		fun();	//this->fun(); 屬于動(dòng)態(tài)綁定！
	}
*/
int main()
{
	Test t1;
	Base base;
	Object obj;

	t1.fn_a(); //fn_a(&t1);
	base.fun_a();
	obj.fn_a();
	return 0;
}

在這里插入圖片描述