14. C++多态

作者: 飞扬code | 来源:发表于2019-04-08 13:28 被阅读2次

14.1 多态的基本概念

在C++程序中,程序的每一个函数在内存中会被分配一段存储空间,而被分配的存储空间的起始地址则为函数的入口地址。
在设计一个程序时都必须为程序设计一个主函数,主函数同样会在内存中被分配一段存储空间,这段存储空间的起始地址即为函数的入口地址。

函数的入口地址与函数名是在编译时进行绑定的,我们称之为编译期绑定(静态绑定)。
而多态的功能则是将函数名动态绑定到函数入口地址,这样的动态绑定过程称为运行期绑定。
函数名与函数入口地址在程序编译时无法绑定到一起,只有等运行的时候才确定函数名与哪一个函数入口绑定到一起。
ps:有些人也喜欢将静态绑定和动态绑定都叫做多态,仁者见仁智者见智了。


C++中多态基本与虚函数是密不可分的,换句话说,有了虚函数我们才可以去实现多态。
针对虚函数的必要性,看一下例子:

#include<iostream>
using namespace std;

class base
{
public:
    void display(){cout<<"I'm base class!"<<endl;}
};

class derived: public base
{
public:
    void display(){cout<<"I'm derived class!"<<endl;}

};

int main()
{
    base * p;
    derived test;
    p = &test;
    p->display();
    return 0;
}
image.png

函数同名,故在派生类对象中会出现遮蔽现象,即派生类中的display函数会遮蔽基类中的display函数。

要想形成多态必须具备以下三个条件:

  • 必须存在继承关系;
  • 继承关系中必须有同名的虚函数;
  • 存在基类类型的指针或引用,通过该指针或引用调用虚函数。

修改为多态特性的:

#include<iostream>
using namespace std;

class base
{
public:
    virtual void display(){cout<<"I'm base class!"<<endl;}
};

class derived: public base
{
public:
    virtual void display(){cout<<"I'm derived class!"<<endl;}
};

int main()
{
    base * p;
    derived test;
    p = &test;
    p->display();
    return 0;
}

image.png

14.2 虚成员函数

虚函数就是在函数返回类型前加上virtual关键字。
virtual关键字仅用于函数声明,如果函数是在类外定义,则不需要再加上virtual关键字了,在C++中只有类中的成员函数能被声明为虚函数,
而对于顶层函数则不能声明为虚函数,因为声明虚函数是为了构成多态,而构成多态的第一个条件就是需要继承关系,顶层函数很明显是不具有继承关系的。

和普通的成员函数一样,虚成员函数同样可以被继承。

#include<iostream>
using namespace std;

class base
{
public:
    virtual void hello(){cout<<"Hello!"<<endl;}
};

class derived: public base
{
    //......
};

int main()
{
    base * p = new base;
    p->hello();
    delete p;
    p = new derived;
    p->hello();
    delete p;
    derived d;
    d.hello();
    return 0;
}

派生类中并不存在与基类hello函数具有相同函数名的虚函数(继承过来的hello函数与基类中的hello函数并未构成遮蔽关系),并未构成多态,自始至终都是调用的都是基类的hello函数。之后又定义了一个派生类对象d,这个对象调用hello函数,当然则个hello同样是继承自基类base中的hello函数了,很明显看出虚函数是具有继承特性的。


14.2 虚成员函数表vtable

在C++中通过虚成员函数表vtable实现多态,虚函数表中存储的是类中虚函数的入口地址。
在普通的类中是没有虚函数表的,只有在具有虚函数的类中(无论是自身添加的虚函数还是继承过来的虚函数)才会具有虚函数表,通常虚成员函数表的首地址将会被存入对象的最前面(在32位的操作系统中,存储地址是用4个字节,因此这个首地址就会占用对象的前四个字节的空间)。

#include<iostream>
using namespace std;
class base{
public:    
    virtual void v1(){ }    
    virtual void v2(){ }
};
class derived: public base{
public:    
    virtual void v1(){ }    
    virtual void v2(){ }
};

int main(){    
    base b;    
    derived d;    
    base *p;    
    p = &b;    
    p->v1();    
    p->v2();    
    p = &d;    
    p->v1();    
    p->v2();    
    return 0;
}
image.png

虚函数表里面存储的就是虚函数的入口地址。
在主函数中先定义了base类对象b,因为b类中有虚函数,因此存在虚函数表,而虚函数表的首地址就存储在对象所在存储空间的最前,具体情况可以见下图。


image.png

14.3 虚析构函数

析构函数则用于销毁对象时完成相应的资源释放工作,析构函数可以被声明为虚函数。

#include<iostream>
using namespace std;

class base
{
public:
    base();
    ~base();
private:
    int * a;
};

class derived: public base
{
public:
    derived();
    ~derived();
private:
    int * b;
};

base::base()
{
    cout<<"base constructor!"<<endl;
    a = new int[10];
}

base::~base()
{
    cout<<"base destructor!"<<endl;
    delete[] a;
}

derived::derived()
{
    cout<<"derived constructor!"<<endl;
    b = new int[1000];
}

derived::~derived()
{
    cout<<"derived destructor!"<<endl;
    delete[] b;
}

int main()
{
    base* p;
    p = new derived;
    delete p;
    return 0;
}
image.png

派生类的析构函数,不调用派生类的析构函数则会导致b指针所指向的1000个整型存储空间不会被释放,如此一来造成了内存泄露了。这是就需要虚析构函数来解决问题了。
修改基类:

class base
{
public:
    base();
    virtual ~base();
private:
    int * a;
};

注意:
1、如果基类中存在一个指向动态分配内存的成员变量,并且基类的析构函数中定义了释放该动态分配内存的代码,则应该将基类的析构函数声明为虚函数。
2、只有非静态成员函数才可以成为虚函数,而静态成员函数不能声明为虚函数。


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