一、模板與多態(tài)基礎(chǔ)

再進(jìn)一步了解如何用模板來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)前，我們還是來(lái)看一看這兩個(gè)概念的基礎(chǔ)理解

1.模板

首先是模板，其主要用途在于讓我們程序員少寫(xiě)代碼

比如像下面兩個(gè)函數(shù)類(lèi)似的一系列函數(shù)：

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}
double add(double a, double b) {
    return a + b;
}

就可以用模板簡(jiǎn)寫(xiě)為：

template<class T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

使用的方式如下：

    add<int>(1,3);
    add<double>(1.1, 3.4);
    add<char>('s','a');

但由于C++編譯器可以自動(dòng)推斷參數(shù)類(lèi)型，所以中間的<int>是可以省略的

這里要注意一個(gè)非常重要的問(wèn)題，雖然我們只寫(xiě)了一個(gè)模板函數(shù)，但實(shí)際上并不止有一個(gè)函數(shù)

比如這里我們用了三種類(lèi)型的add函數(shù)，那么編譯器就會(huì)為我們分別生成三個(gè)函數(shù)

也就是說(shuō)，這是編譯器根據(jù)我們寫(xiě)的模板。幫我們自動(dòng)生成的函數(shù)

進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，模板是完全給編譯器看的，并不會(huì)參與到最終的可執(zhí)行文件中

上面這一點(diǎn)便是模板的精髓！

為了更加直觀(guān)的理解，我們來(lái)看一下最終生成的三個(gè)函數(shù)的內(nèi)存地址：

#include<iostream>
template<class T>
T add(T a, T b) {
	return a + b;
}

int main() {
	printf("%p\n", add<int>);
	printf("%p\n", add<double>);
	printf("%p\n", add<char>);
}

這樣我們就能實(shí)際的看到最終確實(shí)是生成了三個(gè)函數(shù)，因?yàn)槿齻€(gè)函數(shù)的地址完全不同，分別就代表著三個(gè)版本的add函數(shù)

總結(jié)來(lái)說(shuō)就是，模板并沒(méi)有減少最終的代碼量，它僅僅只是減少了我們程序員需要寫(xiě)的代碼量

并且這個(gè)過(guò)程是在編譯期間就完成了的，這一點(diǎn)很重要！

之所以要用模板來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)，就是看重了它是在編譯期間就完成的，而不會(huì)去影響最終的可執(zhí)行文件的執(zhí)行時(shí)間、大小

2.多態(tài)

然后便是多態(tài)了，多態(tài)是類(lèi)中一個(gè)很重要的概念，其主要用途就是使得函數(shù)接口統(tǒng)一化

比如下面這段代碼：

#include <iostream> 
using namespace std;
class A {
public:
    virtual void area() {
        cout << "這是基類(lèi)A" << endl;
    }
};
class B : public A {
public:
    void area()
    {
        cout << "這是子類(lèi)B" << endl;
    }
};
class C : public A {
public:
    void area()
    {
        cout << "這是子類(lèi)C" << endl;
    }
};
// 程序的主函數(shù)
int main()
{
    A* a;
    a = new B();
    a->area();
    a = new C();
    a->area();
    return 0;
}

邏輯并不復(fù)雜，就是B,C兩個(gè)類(lèi)都繼承于A(yíng)，

并且在基類(lèi)中我們用到了關(guān)鍵字virtual 定義area為虛函數(shù)，還在兩個(gè)子類(lèi)里面都分別重寫(xiě)了這個(gè)函數(shù)

因?yàn)锽，C類(lèi)都繼承于A(yíng)類(lèi)，所以我們可以用A類(lèi)指針來(lái)接收B，C對(duì)象

從占用內(nèi)存上考慮，子類(lèi)是繼承父類(lèi)的，所以子類(lèi)所占用的內(nèi)存量肯定大于或等于父類(lèi)占用內(nèi)存，那么子類(lèi)申請(qǐng)一塊內(nèi)存，賦值給父類(lèi)的指針，父類(lèi)就不可能會(huì)內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)越界，而反過(guò)來(lái)，如果用子類(lèi)指針存儲(chǔ)父類(lèi)對(duì)象，由于子類(lèi)訪(fǎng)問(wèn)的內(nèi)存大于等于父類(lèi)，就可能造成內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)越界，因此一般禁止這樣使用

此時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，我們只用了一個(gè)A調(diào)用同一個(gè)函數(shù)area，卻可以完成兩個(gè)類(lèi)的調(diào)用！

所以很多時(shí)候，當(dāng)我們使用別人的提供給我們的類(lèi)時(shí)，只要知道了它的父類(lèi)有哪些函數(shù)，那么其子類(lèi)就必然有對(duì)應(yīng)的函數(shù)

這可以極大方便類(lèi)的管理、升級(jí)以及使用

雖然它的好處很多，但同樣也有壞處，那就是它是動(dòng)態(tài)綁定函數(shù)的，依靠了一個(gè)叫做虛函數(shù)表的東西，導(dǎo)致其內(nèi)存占用更大，運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)

比如上面的代碼我們就可以在調(diào)試窗口中看到其虛函數(shù)表：

就是這個(gè)名為 _vfptr的變量名稱(chēng)，他就是指向虛函數(shù)表的函數(shù)指針，而虛函數(shù)表中就存有我們的虛函數(shù)

父類(lèi)指針想要正確使用子類(lèi)重寫(xiě)的函數(shù)，就必須要在這個(gè)虛函數(shù)表中進(jìn)行遍歷查詢(xún)對(duì)應(yīng)的函數(shù)地址

所以一旦你的類(lèi)中有虛函數(shù)，那么你的類(lèi)就肯定會(huì)多出一個(gè)指針大小的內(nèi)存用于存儲(chǔ)虛函數(shù)表的地址，并且最終生成的可執(zhí)行文件也會(huì)變大很多字節(jié)

這取決于你的虛函數(shù)個(gè)數(shù)，每多一個(gè)虛函數(shù)，那么虛函數(shù)表就需要多一個(gè)指針大小的內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)

如果依舊不太懂的，可以自行在瀏覽器中搜索一下，有很多優(yōu)秀的文章對(duì)此有解釋

總結(jié)來(lái)說(shuō)就是：使用傳統(tǒng)類(lèi)的多態(tài)特性，會(huì)導(dǎo)致程序效率變低，最終生成的可執(zhí)行文件體積變大

原因就是它生成了虛函數(shù)表、虛函數(shù)指針，在程序運(yùn)行過(guò)程中執(zhí)行查詢(xún)函數(shù)的操作

MFC就是因?yàn)榇罅渴褂玫倪@種多態(tài)，公共控件都繼承于基本窗口類(lèi)，一般都有數(shù)十上百個(gè)虛函數(shù)，所以這就導(dǎo)致即使你什么都沒(méi)干，一個(gè)MFC程序都至少有數(shù)兆大小，并且運(yùn)行效率還較低

二、模板實(shí)現(xiàn)多態(tài)

了解了上面所說(shuō)的兩個(gè)基本概念的優(yōu)缺點(diǎn)之后，現(xiàn)在我們就可以來(lái)到如何使用模板來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)了

因?yàn)槟０寰褪蔷幾g期間就完成的操作，如果讓模板來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)，那么就不存在運(yùn)行期間去遍歷虛函數(shù)表來(lái)找對(duì)應(yīng)的函數(shù)，也不需要開(kāi)辟一個(gè)虛函數(shù)表來(lái)存儲(chǔ)虛函數(shù)地址

既能節(jié)約內(nèi)存，又能提高程序運(yùn)行效率，是不是非常的完美！

下面我們就來(lái)看一看模板實(shí)現(xiàn)多態(tài)的基本流程

#include <iostream> 
using namespace std;
template<class T>
class A {
public:
    void Show() {
        T* p=static_cast<T*>(this);
        p->area();
    }
    void area() {
        cout << "這是基類(lèi)A" << endl;
    }
};
class B : public A<B> {
public:
    void area()
    {
        cout << "這是子類(lèi)B" << endl;
    }
};
class C : public A<C> {
public:
    void area()
    {
        cout << "這是子類(lèi)C" << endl;
    }
};
// 程序的主函數(shù)
int main()
{
    B b;
    b.Show();
    C c;
    c.Show();
    return 0;
}

這里同樣是B，C兩個(gè)類(lèi)都繼承自A類(lèi)，但不同點(diǎn)就在于A(yíng)類(lèi)帶了一個(gè)模板變量

所以B，C類(lèi)在繼承A的時(shí)候，就需要將自己這個(gè)類(lèi)型傳遞進(jìn)去

此時(shí)三個(gè)類(lèi)都寫(xiě)了area函數(shù)，但只有基類(lèi)寫(xiě)了show方法對(duì)吧

但由于B，C類(lèi)都是繼承自A類(lèi)，所以它們其實(shí)也已經(jīng)含有了show方法

然后便是最重要的一步，在基類(lèi)的show方法中，我將this指針轉(zhuǎn)化為T(mén)類(lèi)型指針

static_cast與強(qiáng)制轉(zhuǎn)化基本等價(jià)，唯一很大一點(diǎn)的區(qū)別就是，強(qiáng)制轉(zhuǎn)換可以任意使用，比如B沒(méi)有繼承自A類(lèi)，強(qiáng)制轉(zhuǎn)換仍然可以將兩者指針進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而static_cast無(wú)法轉(zhuǎn)換兩個(gè)毫不相干的東西，這樣就保證了傳入的類(lèi)型是繼承自基類(lèi)的，否則編譯會(huì)直接報(bào)錯(cuò)

此時(shí)這里的p指針

T* p=static_cast<T*>(this);

實(shí)際就轉(zhuǎn)化為了調(diào)用者的指針，以B舉例子：

B b;
b.Show(); //調(diào)用Show方法后，完成了指針的轉(zhuǎn)換，指代的B，那么B調(diào)用area函數(shù)，也就是調(diào)用自己重寫(xiě)的area函數(shù)

如果現(xiàn)在再多出一個(gè)子類(lèi)D繼承于A(yíng)，但里面什么都沒(méi)有：

class D : A<D>{
}

那么當(dāng)你使用D時(shí)：

D d;
d.Show(); //將指針轉(zhuǎn)換為D類(lèi)型，由于D類(lèi)型沒(méi)有重寫(xiě)area方法，所以將調(diào)用繼承下來(lái)的基類(lèi)area方法

同樣是一個(gè)show函數(shù)，能夠卻能根據(jù)情況選擇出不同的函數(shù)調(diào)用，而且還是在編譯期間就完成了的

這便是模板實(shí)現(xiàn)多態(tài)的基本原理

三、實(shí)際應(yīng)用

由于上面說(shuō)的都是實(shí)現(xiàn)原理，例子比較奇怪，下面我們來(lái)直接看一看ATL中的代碼：

WTL是基于A(yíng)TL之上開(kāi)發(fā)的，而ATL庫(kù)則是vs開(kāi)發(fā)環(huán)境中自帶，WTL庫(kù)需要自己去下載

可以輸入以下代碼

#include<atlwin.h>
class MyWindow :public CWindowImpl<MyWindow> 
{

};

然后右鍵速覽CWindowImpl類(lèi)，接著在跳出的文件中搜索static_cast:

就能看到很多像上圖這樣的調(diào)用

1.先將this指針還原為子類(lèi)

2.然后再調(diào)用對(duì)應(yīng)的函數(shù)

3.如果子類(lèi)重寫(xiě)了這個(gè)函數(shù)，那么就調(diào)用子類(lèi)的函數(shù)，否則就調(diào)用父類(lèi)的函數(shù)

當(dāng)然這并不完全如此，比如上圖中的那一出，是將其轉(zhuǎn)化為子類(lèi)后，傳給某個(gè)函數(shù)進(jìn)行處理

不過(guò)總體邏輯是一致的：在父類(lèi)中操作子類(lèi)，以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)多態(tài)的目的

到此這篇關(guān)于深入理解C++模板如何實(shí)現(xiàn)多態(tài)思想的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++模板 多態(tài)思想內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！