【c++學習筆記】多型
多型到底是什麼呢？
字面意思就是同種事物在不同的場景下所表現出不同的形態。
在c++當中，多型分類如下：
在學習多型之前，我們必須得先了解虛擬函式的概念。
- 虛擬函式就是在類的成員函式（除建構函式、拷貝建構函式、靜態成員函式）前加virtual關鍵字。
class B
{
public:
virtual void TestFunc()
{
cout << "Base::TestFunc()" << endl;
}
int _b;
};
int main()
{
B b;
cout << sizeof 
這裡列印結果為什麼是8不是4呢？
在記憶體視窗上&B之後，發現它的前4個位元組放的類似地址的東西，那麼這個地址指向的又是什麼呢？
將前四個位元組的類似地址的東西放到記憶體視窗上檢視後，發現這裡放的還是地址，那麼這裡的地址是什麼呢？
其實這裡的地址就是虛擬函式的地址，在帶有虛擬函式的類中，會多開闢四個位元組用來存放指向一張虛表的指標，虛表裡放的都是虛擬函式的地址。要注意的是，虛擬函式只有在繼承體系中才有意義，因為在非繼承體系用不到，還多開闢了4位元組的空間。帶有虛擬函式的類的物件模型如下：
靜態多型在這裡不過多介紹，主要學習動態多型
動態多型的條件：
- 基類中必須包含虛擬函式，並且派生類一定要對基類中的虛擬函式進行重寫
- 重寫：
- 要和基類中的虛擬函式原型相同（返回值、引數列表、函式名均相同）（協變和虛擬析構除外）
- 協變：返回值可以不同，但是基類的虛擬函式必須返回基類物件的指標（引用）；派生類的虛擬函式必須返回派生類物件的指標（引用）–這裡不符合返回值相同，但是也是重寫。
- 解構函式：解構函式也可以作為虛擬函式，並且在繼承體系中建議作為虛擬函式（為什麼建議稍後解釋）
- 通過基類的指標（引用）呼叫虛擬函式。
多型的含義：
- 如果基類的指標/引用指向/引用基類的物件，那麼在呼叫虛擬函式時呼叫屬於基類的虛擬函式。
- 如果基類的指標/引用指向/引用派生類的物件（賦值相容規則），那麼在呼叫虛擬函式時呼叫屬於派生類的虛擬函式。
class B
{
public:
virtual void TestFunc()//加virtual關鍵字，成員函式將作為虛擬函式
{
cout << "Base::TestFunc()" << endl;
}
};
class D : public B
{
public:
virtual void TestFunc()//派生類中對虛擬函式進行重寫，函式名、返回值、引數列表必須一致，
//在重寫時，派生類中的訪問限定符不會對虛擬函式有什麼影響，且可以不加virtual關鍵字
{
cout << "Derived::TestFunc()" << endl;
}
};
void Test(B& b)//通過基類的引用呼叫虛擬函式
{
b.TestFunc();
}
int main()
{
D d;
B b;
Test(d);
Test(b);
return 0;
}那麼，單繼承中派生類的物件模型是怎樣的呢？
帶有虛擬函式單繼承物件模型
class B
{
public:
virtual void TestFunc()//加virtual關鍵字，成員函式將作為虛擬函式
{
cout << "Base::TestFunc()" << endl;
}
int _b;
};
class D : public B
{
public:
virtual void TestFunc()
{
cout << "Derived::TestFunc()" << endl;
}
int _d;
};
int main()
{
D d;
d._b = 1;
d._d = 2;
cout << sizeof(d) << endl;
return 0;
}
在除錯的時候調出記憶體視窗，&d可以很容易得出帶有虛擬函式的單繼承物件模型：
普通成員函式和虛擬函式的區別：
最大的區別就是呼叫方式不同，普通成員函式直接呼叫，而虛擬函式的呼叫分為如下幾步：
- 從物件前4個位元組中取虛表的地址
- 傳遞this指標
- 從虛表中獲取虛擬函式的地址（虛表地址+虛擬函式在虛表中的偏移量）
- 呼叫虛擬函式
帶有虛擬函式的多繼承物件模型
class B1
{
public:
virtual void TestFunc1()
{
cout << "Base1::TestFunc1()" << endl;
}
int _b1;
};
class B2
{
public:
virtual void TestFunc2()
{
cout << "Base2::TestFunc2()" << endl;
}
int _b2;
};
class D: public B1, public B2
{
public:
virtual void TestFunc1()//對B1中的虛擬函式TestFunc1重寫
{
cout << "Derived::TestFunc1()" << endl;
}
virtual void TestFunc2()
{
cout << "Derived::TestFunc2()" << endl;//對B2中的虛擬函式TestFunc2重寫
}
virtual void TestFunc3()//派生類自己特有的虛擬函式
{
cout << "Derived::TestFunc3()" << endl;
}
int _d;
};
int main()
{
D d;
d._b1 = 1;
d._b2 = 2;
d._d = 3;
cout << sizeof(D) << endl;
return 0;
}
對&d得：
發現這裡有兩個類似地址得東西，檢視得
不難發現，這兩個地址分別指向兩張虛表，一張為繼承B1的、另一張為繼承B2的，第一張虛表還會存放派生類中特有的虛擬函式。所以，物件模型如下：
帶有虛擬函式的菱形繼承
#include <iostream>
using namespace std;
class B
{
public:
virtual void TestFunc1()
{
cout << "B::TestFunc1()" << endl;
}
virtual void TestFunc2()
{
cout << "B::TestFunc2()" << endl;
}
virtual void TestFunc3()
{
cout << "B::TestFunc3()" << endl;
}
int _b;
};
class C1 : public B
{
public:
virtual void TestFunc1()
{
cout << "C1::TestFunc1()" << endl;
}
int _c1;
};
class C2 : public B
{
public:
virtual void TestFunc2()
{
cout << "B::TestFunc2()" << endl;
}
int _c2;
};
class D : public C1, public C2
{
public:
virtual void TestFunc1()
{
cout << "D::TestFunc()" << endl;
}
int _d;
};
int main()
{
D d;
cout << sizeof(D) << endl;
return 0;
}
物件模型：
其實從派生類D的大小很容易就能推斷出物件的模型如下：
由於菱形繼承存在資料二意性的問題，所以就引出了帶有虛擬函式的菱形虛擬繼承
帶有虛擬函式的菱形虛擬繼承
首先，先看看在單繼承中，帶有虛擬函式的虛擬繼承的物件模型，這裡是為了方便理解帶有虛擬函式的菱形虛擬繼承的物件模型，因為在單繼承中，虛擬繼承是沒有什麼實際意義的。
class B
{
public:
virtual void TestFunc()
{
cout << "B::TestFunc()" << endl;
}
int _b;
};
class D : virtual public B
{
public:
virtual void TestFunc()
{
cout << "D::TestFunc()" << endl;
}
int _d;
};
int main()
{
D d;
cout << sizeof(D) << endl;
d._b = 1;
d._d = 2;
return 0;
}
在物件d中，除了有一張拷貝B的虛表外，因為是虛擬繼承，還有一張儲存偏移量的表格，調出記憶體視窗，取地址，如下：
發現，確實是有兩個指標，那麼，哪一個是指向虛表的，哪一個又是指向儲存偏移量的呢，我們可以再呼叫一個記憶體視窗進行檢視，因為虛表中儲存的是地址，而另一個儲存的是偏移量，是整數。
可以發現，上面的地址指向存放偏移量的表格，下面的指向虛表，所以再單繼承中，帶有虛擬函式的虛擬繼承物件模型如下：
上面的是派生類沒有新增自己特有的虛擬函式的模型，接下來我們用同樣的方法看看在派生類中新增虛擬函式後，物件模型又是什麼？
class B
{
public:
virtual void TestFunc1()
{
cout << "B::TestFunc1()" << endl;
}
int _b;
};
class D : virtual public B
{
public:
virtual void TestFunc1()
{
cout << "D::TestFunc1()" << endl;
}
virtual void TestFunc2()
{
cout << "D::TestFunc2()" << endl;
}
int _d;
};
int main()
{
D d;
cout << sizeof(D) << endl;
d._b = 1;
d._d = 2;
return 0;
}
算下來大小比上面的多了4位元組。其實就是如果派生類自己新增虛擬函式，就會多開闢四個位元組，指向另一張虛表，這張虛表中存放派生類自己特有的虛擬函式地址。
接下來，再來看看帶有虛擬函式的菱形虛擬繼承，這裡為了簡單起見，沒有在派生類中新增特有的虛擬函式。
class B
{
public:
virtual void TestFunc1()
{
cout << "B::TestFunc1()" << endl;
}
virtual void TestFunc2()
{
cout << "B::TestFunc2()" << endl;
}
virtual void TestFunc3()
{
cout << "B::TestFunc3()" << endl;
}
int _b;
};
class C1 : virtual public B
{
public:
virtual void TestFunc1()
{
cout << "C1::TestFunc1()" << endl;
}
int _c1;
};
class C2 : virtual public B
{
public:
virtual void TestFunc2()
{
cout << "C2::TestFunc2()" << endl;
}
int _c2;
};
class D : public C1, public C2
{
public:
virtual void TestFunc3()
{
cout << "D::TestFunc3()" << endl;
}
int _d;
};
int main()
{
D d;
cout << sizeof(C1) << endl;
cout << sizeof(D) << endl;
d._b = 1;
d._c1 = 2;
d._c2 = 3;
d._d = 4;
return 0;
}
物件模型如下：
講到這裡，現在我們來想想動態多型的實現原理
動態多型實現原理
- 編譯器在帶有虛擬函式的類的背後維護了一張虛表（虛擬函式的入口地址）
- 虛擬函式的呼叫原理（通過基類的指標/引用呼叫虛擬函式）
- 從指標所指物件（基類/派生類）前4個位元組中取虛表的地址
- 傳遞引數（this+當前虛擬函式的引數）
- 根據從物件4個位元組取到的虛表的地址取物件的虛擬函式地址
- 呼叫虛擬函式
現在我們再來談談為什麼靜態函式，建構函式，拷貝建構函式為什麼不能作為虛擬函式？
- 最主要的原因就是呼叫虛擬函式需要this指標，但是這幾個函式當中並沒有虛擬函式（或者還沒構造好物件）
那麼為什麼建議將解構函式作為虛擬函式呢？
答案是因為如果不作為虛擬函式，有可能會造成記憶體洩露的問題，如下：
class B
{
public:
B()
:_b(1)
{
cout << "B::B()" << endl;
}
~B()
{
cout << "B::~B()" << endl;
}
int _b;
};
class D: public B
{
public:
D()
:_ptr(new char[10])
{
cout << "D::D()" << endl;
}
~D()
{
if (_ptr)
{
delete[] _ptr;
}
cout << "D::~D()" << endl;
}
char* _ptr;
};
void TestFunc()
{
B* pb;
pb = new D;//由於賦值相容規則，基類指標可以指向派生類物件，這裡就會呼叫D的建構函式申請空間
delete pb;//由於是基類型別的指標，所以delete只會呼叫基類的析構，所以這裡就會造成記憶體洩漏
}
int main()
{
TestFunc();
return 0;
}
只要我們將解構函式作為虛擬函式，就不會出現上面的問題了，列印結果如下：
那麼，為什麼不直接將解構函式預設作為虛擬函式呢？
- C++不 把虛解構函式直接作為預設值的原因是虛擬函式表的開銷以及和C語言的型別的相容性。