C 多型的實現及原理

2021-08-14 23:25:19 字數 4407 閱讀 8799

c++的多型性用一句話概括就是:在基類的函式前加上virtual關鍵字,在派生類中重寫該函式,執行時將會根據物件的實際型別來呼叫相應的函式。如果物件型別是派生類,就呼叫派生類的函式;如果物件型別是基類,就呼叫基類的函式

1:用virtual關鍵字申明的函式叫做虛函式,虛函式肯定是類的成員函式。  

2:存在虛函式的類都有乙個一維的虛函式表叫做虛表,類的物件有乙個指向虛表開始的虛指標。虛表是和類對應的,虛表指標是和物件對應的。  

3:多型性是乙個介面多種實現,是物件導向的核心,分為類的多型性和函式的多型性。  

4:多型用虛函式來實現,結合動態繫結.  

5:純虛函式是虛函式再加上 = 0;  

6:抽象類是指包括至少乙個純虛函式的類。

純虛函式:virtual void fun()=0;即抽象類!必須在子類實現這個函式,即先有名稱,沒有內容,在派生類實現內容。

我們先看個例子

1 #include "stdafx.h"

2 #include 3 #include 4 using namespace std;

5 6 class father

7 13

14 void say()

15

18 };

19 20

21 class son:public father

22 28 };

29 30 void main()

31

輸出的結果為:

我們在main()函式中首先定義了乙個son類的物件son,接著定義了乙個指向father類的指標變數pfather,然後利用該變數呼叫pfather->say().估計很多人往往將這種情況和c++的多型性搞混淆,認為son實際上是son類的物件,應該是呼叫son類的say,輸出」son say hello」,然而結果卻不是.

從編譯的角度來看:

c++編譯器在編譯的時候,要確定每個物件呼叫的函式(非虛函式)的位址,這稱為早期繫結,當我們將son類的物件son的位址賦給pfather時,c++編譯器進行了型別轉換,此時c++編譯器認為變數pfather儲存的就是father物件的位址,當在main函式中執行pfather->say(),呼叫的當然就是father物件的say函式

從記憶體角度看

son類物件的記憶體模型如上圖

我們構造son類的物件時,首先要呼叫father類的建構函式去構造father類的物件,然後才呼叫son類的建構函式完成自身部分的構造,從而拼接出乙個完整的son類物件。當我們將son類物件轉換為father型別時,該物件就被認為是原物件整個記憶體模型的上半部分,也就是上圖中「father的物件所佔記憶體」,那麼當我們利用型別轉換後的物件指標去呼叫它的方法時,當然也就是呼叫它所在的記憶體中的方法,因此,輸出「father say hello」,也就順理成章了。

正如很多人那麼認為,在上面的**中,我們知道pfather實際上指向的是son類的物件,我們希望輸出的結果是son類的say方法,那麼想到達到這種結果,就要用到虛函式了。

前面輸出的結果是因為編譯器在編譯的時候,就已經確定了物件呼叫的函式的位址,要解決這個問題就要使用晚繫結,當編譯器使用晚繫結時候,就會在執行時再去確定物件的型別以及正確的呼叫函式,而要讓編譯器採用晚繫結,就要在基類中宣告函式時使用virtual關鍵字,這樣的函式我們就稱之為虛函式,一旦某個函式在基類中宣告為virtual,那麼在所有的派生類中該函式都是virtual,而不需要再顯式地宣告為virtual。

**稍微改動一下,看一下執行結果

1 #include "stdafx.h"

2 #include 3 #include 4 using namespace std;

5 6 class father

7 13

14 virtual void say()

15

18 };

19 20

21 class son:public father

22 28 };

29 30 void main()

31

我們發現結果是」son say hello」也就是根據物件的型別呼叫了正確的函式,那麼當我們將say()宣告為virtual時,背後發生了什麼。

編譯器在編譯的時候,發現father類中有虛函式,此時編譯器會為每個包含虛函式的類建立乙個虛表(即 vtable),該表是乙個一維陣列,在這個陣列中存放每個虛函式的位址,

那麼如何定位虛表呢?編譯器另外還為每個物件提供了乙個虛表指標(即vptr),這個指標指向了物件所屬類的虛表,在程式執行時,根據物件的型別去初始化vptr,從而讓vptr正確的指向了所屬類的虛表,從而在呼叫虛函式的時候,能夠找到正確的函式,對於第二段**程式,由於pfather實際指向的物件型別是son,因此vptr指向的son類的vtable,當呼叫pfather->son()時,根據虛表中的函式位址找到的就是son類的say()函式.

正是由於每個物件呼叫的虛函式都是通過虛表指標來索引的,也就決定了虛表指標的正確初始化是非常重要的,換句話說,在虛表指標沒有正確初始化之前,我們不能夠去呼叫虛函式,那麼虛表指標是在什麼時候,或者什麼地方初始化呢?

答案是在建構函式中進行虛表的建立和虛表指標的初始化,在構造子類物件時,要先呼叫父類的建構函式,此時編譯器只「看到了」父類,並不知道後面是否還有繼承者,它初始化父類物件的虛表指標,該虛表指標指向父類的虛表,當執行子類的建構函式時,子類物件的虛表指標被初始化,指向自身的虛表。

總結(基類有虛函式的):

1:每乙個類都有虛表

2:虛表可以繼承,如果子類沒有重寫虛函式,那麼子類虛表中仍然會有該函式的位址,只不過這個位址指向的是基類的虛函式實現,如果基類有3個虛函式,那麼基類的虛表中就有三項(虛函式位址),派生類也會虛表,至少有三項,如果重寫了相應的虛函式,那麼虛表中的位址就會改變,指向自身的虛函式實現,如果派生類有自己的虛函式,那麼虛表中就會新增該項。

這就是c++中的多型性,當c++編譯器在編譯的時候,發現father類的say()函式是虛函式,這個時候c++就會採用晚繫結技術,也就是編譯時並不確定具體呼叫的函式,而是在執行時,依據物件的型別來確認呼叫的是哪乙個函式,這種能力就叫做c++的多型性,我們沒有在say()函式前加virtual關鍵字時,c++編譯器就確定了哪個函式被呼叫,這叫做早期繫結。

c++的多型性就是通過晚繫結技術來實現的。

c++的多型性用一句話概括就是:在基類的函式前加上virtual關鍵字,在派生類中重寫該函式,執行時將會根據物件的實際型別來呼叫相應的函式,如果物件型別是派生類,就呼叫派生類的函式,如果物件型別是基類,就呼叫基類的函式。

虛函式是在基類中定義的,目的是不確定它的派生類的具體行為,例如:

定義乙個基類:class animal //動物,它的函式為breathe()

再定義乙個類class fish //魚。它的函式也為breathe()

再定義乙個類class sheep //羊,它的函式也為breathe()

將fish,sheep定義成animal的派生類,然而fish與sheep的breathe不一樣,乙個是在水中通過水來呼吸,乙個是直接呼吸,所以基類不能確定該如何定義breathe,所以在基類中只定義了乙個virtual breathe,它是乙個空的虛函式,具體的函式在子類中分別定義,程式一般執行時,找到類,如果它有基類,再找到它的基類,最後執行的是基類中的函式,這時,它在基類中找到的是virtual標識的函式,它就會再回到子類中找同名函式,派生類也叫子類,基類也叫父類,這就是虛函式的產生,和類的多型性的體現。

這裡的多型性是指類的多型性。

函式的多型性是指乙個函式被定義成多個不同引數的函式。當你呼叫這個函式時,就會呼叫不同的同名函式。

一般情況下(不涉及虛函式),當我們用乙個指標/引用呼叫乙個函式的時候,被呼叫的函式是取決於這個指標/引用的型別。

當設計到多型性的時候,採用了虛函式和動態繫結,此時的呼叫就不會在編譯時候確定而是在執行時確定。不在單獨考慮指標/引用的型別而是看指標/引用的物件的型別來判斷函式的呼叫,根據物件中虛指標指向的虛表中的函式的位址來確定呼叫哪個函式

現在我們看乙個體現c++多型性的例子,看看輸出結果:

#include "stdafx.h"

#include #include using namespace std;

class ca

virtual void ff()

}; class cb : public ca

void ff()

}; class cc : public cb

}; int main()

輸出結果:

C 多型實現及原理

include include using namespace std class person men women 執行結果 men 1peter women 2lily delete men delete person delete women delete person 繼承機制中,子類訪問父...

C 多型的實現及原理

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