C++_ 多态与虚函数介绍

目录

1 多态性

1.1 编译整体过程

1.2 两种形式的多态

2 相关概念

2.1 虚函数

2.1.1 虚函数实现原理

2.2.2 虚函数为何不可以声明为 inline ?

2.2.3 构造函数为什么不能为虚函数？

2.2.4 析构函数为什么要虚函数？

2.2.5 构造函数和析构函数可以调用虚函数吗，为什么?

2.2.6 哪些函数不能是虚函数？

2.2 接口继承与实现继承

1 多态性

同样的接口访问功能不同的函数，从而实现“一个接口，多种方法”。

在C++中，多态性的实现和联编（也称绑定）这一概念有关。C++支持两种多态性：编译时多态性，运行时多态性。

1.1 编译整体过程

• 1.      预处理：包含宏替换，条件编译，include导入文件（针对C/C++）
• 2.      编译：  包含词法分析，语法分析，语义分析，中间代码生成与优化，生成汇编文件
• 3.      汇编：  将汇编文件编译成2进制的机器码
• 4.      链接：  将目标文件与外部符号进行链接，得到一个二进制可执行文件

1.2 两种形式的多态

联编：一个源程序经过编译、链接，成为可执行文件的过程。

函数的联编：在编译或运行将函数的调用，与相应的函数体连接在一起的过程。

• 静态联编（前期联编）：在运行之前就完成的联编称之为~。
  • 静态联编支持的多态性称为编译时多态性（静态多态性）。
    • 编译时多态性：在C++中，编译时多态性是通过函数重载和模板实现的。
      • 比如利用函数重载机制，在调用同名函数时，编译系统会根据实参的具体情况，确定索要调用的是哪个函数。
      • 比如当编译器遇到一个模板定义时，它并不生成代码。只有当遇到实例化出模板的一个特定版本时，编译器才会生成代码。
• 动态联编（后期联编）：在程序运行之时才完成的联编称之为~
  • 动态联编所支持的多态性称为运行时多态（动态多态）。
    • 运行时多态性：在C++中，运行时多态性是通过虚函数来实现的。
      • 比如运行基类指针指向派生类的对象（Animal*a=new Dog(); a->eat();），以调用派生类的函数。
      • 那么在继承中要构成多态还需要两个条件：
        • a. 调用函数的对象必须是指针或者引用。
        • b. 被调用的函数必须是虚函数，且完成了虚函数的重写。

2 相关概念 2.1 虚函数

虚函数是在基类中被声明为 virtual，并在派生类中重新定义的成员函数，可实现成员函数的动态重载。

• 虚函数实现原理：虚函数表和虚函数指针。

抽象类：包含纯虚函数的类称为抽象类。由于抽象类包含了没有定义的纯虚函数，所以不能定义抽象类的对象。

• 纯虚函数： virtual int fun() = 0;
• 纯虚函数引入原因？
  • 1、为了方便使用多态特性，我们常常需要在基类中定义虚拟函数。
  • 2、在很多情况下，基类本身生成对象是不合情理的。例如，动物作为一个基类可以 派生出老虎、孔 雀等子类，但动物本身生成对象明显不合常理。

2.1.1 虚函数实现原理

每一个含有虚函数（无论是其本身的，还是继承而来的）的类都至少有一个与之对应的虚函数表，其中存放着该类所有的虚函数对应的函数指针。例：

x86下：sizeof(B) = 8 (因为long的4 + vptr的4)

相关概念：static 成员函数不能被 virtual 修饰，static 成员不属于任何对象或实例，所以加上 virtual 没有任何实际意义；静态成员函数没有 this 指针，虚函数的实现是为每一个对象分配一个 vptr 指针，而 vptr 是通过 this 指针调用的，所以不能为virtual；虚函数的调用关系，this->vptr->ctable->virtual function

2.2.2 虚函数为何不可以声明为 inline ?

虚函数用于实现运行时的多态。而内联函数用于提高效率。内联函数的原理是，在编译期间，对调用内联函数的地方的代码替换成函数代码。内联函数对于程序中需要频繁使用和调用的小函数非常有用。总之，虚函数要求在运行时进行类型确定，而内敛函数要求在编译期完成相关的函数替换；

2.2.3 构造函数为什么不能为虚函数？

a. 从存储空间角度，指向 vtable 虚函数表的指针是存储在对象的内存空间的。假设构造函数是虚的，但是对象还没有实例化，也就是内存空间还没有，怎么找 vtable 呢？所以构造函数不能是虚函数。

b. 从使用角度，构造函数是在创建对象时自己主动调用的，不可能通过父类的指针或者引用去调用，因此也就规定构造函数不能是虚函数。

2.2.4 析构函数为什么要虚函数？

a. 从使用角度，我们往往通过基类的指针来销毁对象。这时候假设析构函数不是虚函数，就不能正确识别对象类型从而不能正确调用析构函数。

b. 因此，C++中基类采用 virtual 虚析构函数是为了防止内存泄漏。具体地说，如果派生类中申请了内存空间，并在其析构函数中对这些内存空间进行释放。假设基类中采用的是非虚析构函数，当删除基类指针指向的派生类对象时，就不会触发动态绑定，因而只会调用基类的析构函数，而不会调用派生类的析构函数。那么在这种情况下，派生类中申请的空间就得不到释放从而产生内存泄漏。

2.2.5 构造函数和析构函数可以调用虚函数吗，为什么?

1) 在 C++中，不提倡在构造函数和析构函数中调用虚函数；

2) 构造函数和析构函数调用虚函数时都不使用动态联编，并不会发挥虚函数动态绑定的特性，跟普通函数没区别；此时，则运行的是为构造函数或析构函数自身类型定义的版本；

3) 因为父类对象会在子类之前进行构造，此时子类部分的数据成员还未初始化，因此调用子类的虚函数是不安全的，故而 C++不会进行动态联编；

4) 析构函数是用来销毁一个对象的，在销毁一个对象时，先调用子类的析构函数，然后再调用基类的析构函数。所以在调用基类的析构函数时，派生类对象的数据成员已经销毁，这个时候再调用子类的虚函数没有任何意义。

2.2.6 哪些函数不能是虚函数？

• 1) 构造函数，构造函数初始化对象，派生类必须知道基类函数干了什么，才能进行构造；当有虚函数时，每一个类有一个虚表，每一个对象有一个虚表指针，虚表指针在构造函数中初始化；
• 2) 内联函数，内联函数表示在编译阶段进行函数体的替换操作，而虚函数意味着在运行期间进行类型确定，所以内联函数不能是虚函数；
• 3) 静态函数，静态函数不属于对象属于类，静态成员函数没有 this 指针，因此静态函数设置为虚函数没有任何意义。

• 4) 友元函数，友元函数不属于类的成员函数，不能被继承。对于没有继承特性的函数没有虚函数的说法。

• 5) 普通函数，普通函数不属于类的成员函数，不具有继承特性，因此普通函数没有虚函数。

2.2 接口继承与实现继承

• 实现继承：普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，可以使用函数，继承的是函数的实现本身（自己使用父类的方法，不需要在子类中再定义）。

• 接口继承：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。