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关于虚函数实现多态的原理及分析

2023-02-05 18:00

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1、C++中如何实现多态

基类中先声明一个虚函数
至少有一个继承该基类的子类

2、虚函数实现多态的原理

当一个类中出现虚函数或着子类继承了虚函数时，就会在该类中产生一个虚函数表（virtual table），虚函数表实际上是一个函数指针数组（在有的编译器作用下是链表），里面的每一个元素对应指向该类中的某一个虚函数的指针。
被该类声明的对象会包含一个虚函数表指针（virtual table pointer），指向该类的虚函数表的地址。
虚函数的调用过程：当一个对象要调用到虚函数时，先将对象内存中的vptr指针（虚函数表指针）指向定义该类的vtbl（虚函数表），vtbl再寻找里面的指针指向想要调用的虚函数，从而完成虚函数的调用。

2.1 单类继承

定义一个父类

class Person{
public:
	virtual void f(){cout << "use f()" << endl;}
	virtual void g(){cout << "use g()" << endl;}
	virtual void h(){cout << "use h()" << endl;}
};

父类对象其在内存中布局如下：

再定义一个子类，此时并不覆盖父类的虚函数：

class Bag:public Person{
public:
	virtual void i(){cout << "use i()" << endl;}
	virtual void j(){cout << "use j()" << endl;}
};

可以看出虚函数表内的虚函数是按声明顺序进行排序的

父类虚函数排在子类虚函数之前

当我们把子类中的虚函数覆盖掉：（修改Bag类）

class Bag:public Person{
public:
	void f(){cout << "class Bag use fun" << endl;}
	virtual void i(){cout << "use i()" << endl;}
	virtual void j(){cout << "use j()" << endl;}
};

子类覆盖的虚函数，放在父类原先放该虚函数的位置上。

所以当父类指针指向该子类对象时，会调用该子类的重载函数

2.2 多类继承

子类没有覆盖父类的虚函数

子类的虚函数放在第一张虚函数表中，紧跟着第一个父类的虚函数

如果每个父类都有虚函数，则有几个父类就有几张虚函数表

子类覆盖父类的虚函数

父类的虚函数被子类覆盖后，则该子类对应的重载函数的位置在被覆盖的父类函数的位置上。（如果父类没有该虚函数，则不用被覆盖）

父类的虚函数被子类覆盖后，则父类指针指向该子类对象时，调用的f（）便是子类中重载的f（）

示例

#include <iostream>
using namespace std;

class Person1{
public:
    virtual void f(){}
    virtual void g(){}
    virtual void h(){}
    virtual ~Person1(){}
};

class Person2{
public:
    virtual void f(){}
    virtual void g(){}
    virtual void h(){}
    void a(){           // 成员函数，不需要重载
        cout << "class Person2" << endl;
    }
    virtual ~Person2(){}
};

class Person3{
public:
    virtual void g(){}
    virtual void h(){}
    virtual ~Person3(){}
};

class Bag:public Person1, public Person2, public Person3{
public:
    void f(){
        cout << "Bag f()" << endl;
    }
    void g(){
        cout << "Bag g()" << endl;
    }
    void a(){
        cout << "Class Bag" << endl;
    }
};

int main(int argc, char const *argv[])
{
    Person3* p3 = new Bag;
    //p3->f();    // P3 没有成员函数f（）
                  // 多态首先得是 父类有虚函数，其次是子类要定义该函数的重载
                  // 如果父类的虚函数改为成员函数，则子类无法进行重载，即无法实现多态
    delete p3;
    p3 = NULL;

    Person1* p1 = new Bag;
    p1->f();
    delete p1;
    p1 = NULL;

    Person2* p2 = new Bag;
    p2->a();
    delete p2;
    p2 = NULL;
    
    return 0;
}