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详解C++ 多态的实现及原理

大圣归来 2019-10-16 18:07 399 查看 https://www.geek-share.com/det

C++的多态性用一句话概括就是:在基类的函数前加上virtual关键字,在派生类中重写该函数,运行时将会根据对象的实际类型来调用相应的函数。如果对象类型是派生类,就调用派生类的函数;如果对象类型是基类,就调用基类的函数

  1:用virtual关键字申明的函数叫做虚函数,虚函数肯定是类的成员函数。 

  2:存在虚函数的类都有一个一维的虚函数表叫做虚表,类的对象有一个指向虚表开始的虚指针。虚表是和类对应的,虚表指针是和对象对应的。 

  3:多态性是一个接口多种实现,是面向对象的核心,分为类的多态性和函数的多态性。 

  4:多态用虚函数来实现,结合动态绑定. 

  5:纯虚函数是虚函数再加上 = 0; 

  6:抽象类是指包括至少一个纯虚函数的类。

纯虚函数:virtual void fun()=0;即抽象类!必须在子类实现这个函数,即先有名称,没有内容,在派生类实现内容。

下面看下c++语言虚函数实现多态的原理

自上一个帖子之间跳过了一篇总结性的帖子,之后再发,今天主要研究了c++语言当中虚函数对多态的实现,感叹于c++设计者的精妙绝伦

c++中虚函数表的作用主要是实现了多态的机制。首先先解释一下多态的概念,多态是c++的特点之一,关于多态,简而言之就是 用父类的指针指向其子类的实例,然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数,这种方法呢,可以让父类的指针具有多种形态,也就是说不需要改动很多的代码就可以让父类这一种指针,干一些很多子类指针的事情,这里是从虚函数的实现机制层面进行研究

在写这篇帖子之前对于相关的文章进行了查阅,基本上是大段的文字,所以我的这一篇可能会用大量的图形进行赘述(如果理解有误的地方,烦请大佬能够指出),接下来就言归正传:

首先介绍一下为什么会引进多态呢,基于c++的复用性和拓展性而言,同类的程序模块进行大量重复,是一件无法容忍的事情,比如我设置了苹果,香蕉,西瓜类,现在想把这些东西都装到碗这个函数里,那么在主函数当中,声明对象是必须的,但是每一次装进碗里对于水果来说,都要用自己的指针调用一次装的功能,那为什么不把这些类抽象成一个水果类呢,直接定义一个水果类的指针一次性调用所有水果装的功能呢,这个就是利用父类指针去调用子类成员,但是这个思想受到了指针指向类型的限制,也就是说表面指针指向了子类成员,但实际上还是只能调用子类成员里的父类成员,这样的思想就变的毫无意义了,如果想要解决这个问题,只要在父类前加上virtual就可以解决了,这里就是利用虚函数实现多态的实例。

首先还是作为举例来两个类,在之前基础知识的帖子中提到过,空类的大小是一个字节(占位符),函数,静态变量都在编译期就形成了,不用类去分配空间,但是做一个小实验,看一看在定义了虚函数之后,类的大小是多少呢

#include<iostream>
using namespace std;
class CFather
{
public:
virtual void AA()  //虚函数标识符
{
cout << "CFather :: AA()" << endl;
}
void BB()
{
cout << "CFather :: BB()" << endl;
}
};
class CSon : public CFather
{
public:
void AA()
{
cout << "CSon :: AA()" << endl;
}
void BB()
{
cout << "CSon :: BB()" << endl;
}
};
int main()
{
cout << sizeof(CFather) << endl;       //测试加了虚函数的类
system("pause");
return 0;
}

很明显类里装了一个 4个字节的东西,除了整形int,就是指针了,没错这里装的就是函数指针

先把这个代码,给抽象成图形进行理解,在这CFather为A,CSon为B

此时就是一个单纯的继承的情况,不存在虚函数,然后我new一个对象,A *p = new A;那么 p -> AA(),必然是指向A类中的AA()函数,那么函数的调用有两种方式 一种函数名加()直接调用,一种是利用函数指针进行调用,在这里我想要调用子类的,就可以利用函数指针进行调用,假设出来两个函数指针,来指向B类中的两个成员函数,如果我父类想要调用子类成员,就可以通过 p指针去调用函数指针,再通过函数指针去调用成员函数

每一个函数都可以用一个函数指针去指着,那么每一类中的函数指针都可以形成自己的一个表,这个就叫做虚函数表

那么在创建对象后,为什么类中会有四个字节的内存空间呢?

在C++的标准规格说明书中说到,编译器必需要保证虚函数表的指针存在于对象中最前面的位置(这是为了保证正确取到虚函数的偏移量)。这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表,然后就可以遍历其中函数指针,并调用相应的函数。也就是说这四个字节的指针,代替了上图中(p->*pfn)()的作用,指向了函数指针,也就是说,在使用了虚函数的父类成员函数,虽然写的还是p->AA(),实际上却是,(p->*(vfptr[0])),而指向哪个虚函数表就由,创建的对象来决定

至此,就能理解如何用虚函数这个机制来实现多态的了

下面,我将分别说明“无覆盖”和“有覆盖”时的虚函数表的样子。没有覆盖父类的虚函数是毫无意义的。我之所以要讲述没有覆盖的情况,主要目的是为了给一个对比。在比较之下,我们可以更加清楚地知道其内部的具体实现。

无虚数覆盖

下面,再让我们来看看继承时的虚函数表是什么样的。假设有如下所示的一个继承关系:

请注意,在这个继承关系中,子类没有重载任何父类的函数。那么,在派生类的实例中,Derive d; 的虚函表:

我们可以看到下面几点:

1)虚函数按照其声明顺序放于表中。

2)父类的虚函数在子类的虚函数前面。

有虚数覆盖

覆盖父类的虚函数是很显然的事情,不然,虚函数就变得毫无意义。下面,我们来看一下,如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数,会是一个什么样子?假设,我们有下面这样的一个继承关系。

为了让大家看到被继承过后的效果,在这个类的设计中,我只覆盖了父类的一个函数:f()。那么,对于派生类的实例,其虚函数表会是下面的一个样子:

我们从表中可以看到下面几点,

1)覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。

2)没有被覆盖的函数依旧。

这样,我们就可以看到对于下面这样的程序,

Base *b = new Derive();

b->f();

由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代,于是在实际调用发生时,是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。

总结

以上所述是小编给大家介绍的c++语言虚函数实现多态的原理,希望对大家有所帮助,如果大家有任何疑问请给我留言,小编会及时回复大家的。在此也非常感谢大家对脚本之家网站的支持!
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标签:  c++ 虚函数 多态