多态性与虚函数

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多态:

多态性是面向对象程序设计的关键技术之一。若程序设计语言不支持多态性，不能称为面向对象的语言。多态性（polymorphism）多态性是考虑在不同层次的类中，以及在同一类中，同名的成员函数之间的关系问题。函数的重载，运算符的重载，属于编译时的多态性。以类的虚成员函数为基础的运行时的多态性，是面向对象程序设计的标志性特征。体现了类推和比喻的思想方法。

编译时的多态和运行时的多态

编译时多态，早期绑定。

机器代码，编译链接时的函数名称：

运行时的多态

运行时多态的设计思想：

对于相关的类型，确定它们之间的一些共同特征，(属性和方法），将共同特征被转移到基类中，然后在基类中，把这些共同的函数或方法声明为公有的虚函数接口。然后使用派生类继承基类，并且在派生类中重写这些虚函数，以完成具体的功能。这种设计使得共性很清楚，避免了代码重复，将来容易增强功能，并易于长期维护。客户端的代码（操作函数）通过基类的引用或指针来指向这些派生类型对象，对虚函数的调用会自动绑定到派生类对象上重写的虚函数。虚函数的定义：虚函数是一个类的成员函数，定义格式如下： virtual 返回类型函数名（参数表）；关键字virtual指明该成员函数为虚函数。只能将类的成员函数定义为虚函数。当某一个类的成员函数被定义为虚函数，则由该类派生出来的所有派生类中，该函数始终保持虚函数的特征。示例：运行时的多态性，晚绑定。

总结：运行时的多态性: 公有继承 + 虚函数 + （指针或引用调用虚函数）。

定义虚函数的规则

类的成员函数定义为虚函数，但必须注意以下几条：

派生类中定义虚函数必须与基类中的虚函数同名外，还必须同参数表，同返回类型。否则被认为是同名覆盖，不具有多态性。如基类中返回基类指针，派生类中返回派生类指针是允许的，这是一个例外（协变）。

只有类的成员函数才能说明为虚函数。这是因为虚函数仅适用于有继承关系的类对象。友元函数和全局函数也不能作为虚函数。

静态成员函数，是所有同一类对象共有，不受限于某个对象，不能作为虚函数。

内联函数每个对象一个拷贝，无映射关系，不能作为虚函数。

构造函数和拷贝构造函数不能作为虚函数。构造函数和拷贝构造函数是设置虚表指针。

析构函数可定义为虚函数，构造函数不能定义虚函数，因为在调用构造函数时对象还没有完成实例化（虚表指针没有设置）。在基类中及其派生类中都动态分配的内存空间时，必须把析构函数定义为虚函数，实现撤消对象时的多态性。

实现运行时的多态性，必须使用基类类型的指针变量或引用，使该指针指向该基类的不同派生类的对象，并通过该指针指向虚函数，才能实现运行时的多态性。

在运行时的多态，函数执行速度要稍慢一些：为了实现多态性,每一个派生类中均要保存相应虚函数的入口地址表,函数的调用机制也是间接实现。所以多态性总是要付出一定代价, 但通用性是一个更高的目标。

如果定义放在类外，virtual只能加在函数声明前面，不能（再）加在函数定义前面。正确的定义必须不包括virtual。

多态的原理

虚函数表的示例：运行时多态的原理虚函数指针表简称虚表，虚表就是虚函数指针的集合，虚函数指针表本质是一个存储虚函数指针的指针数组，这个数组的首元素之上存储RTTI（运行时类型识别信息的指针），从数组下标0开始依次存储虚函数地址，最后面放了一个nullptr。类型设计中定义了虚函数，此类型就有了对应的虚表(vftable),v代表virtual, f代表function,table代表表，数组；使用此类型定义的对象就含有一个指向虚表的指针，名字是 __vfptr，v代表virtual, f代表 function, ptr 代表指针。

dynamic_cast

虚函数指针表存储在只读数据段（.rodata) //虚函数指针表简称虚表，虚表就是虚函数指针的集合， //虚表本质是一个存储虚函数指针的指针数组， //这个数组的首元素之上存储RTTI(运行时类型识别信息的指针), //从数组下标0开始依次存储虚函数地址，最后面放了一个nullptr。 //虚表存储在只读数据段（.rodata) // //类型设计中定义了虚函数，此类型就有了对应的虚表(vftable), //v代表virtual, f代表function, table代表表，数组； //使用此类型定义的对象就含有一个指向虚表的指针，名字是 vfptr， //v代表virtual, f代表function, ptr 代表指针。 //vfptr 存储在对象中。 //动态联编

虚表

obja 对象和虚表

base 对象和虚表

test 对象和虚表

虚函数的调用：

静态联编和动态联编

联编是指计算机程序彼此关联的过程，是把一个标识符名和一个存储地址联系在一起的过程，也就是把函数的调用和函数的入口地址相结合的过程。

静态联编（static binding）早期绑定：静态联编是指在编译和链接阶段，就将函数实现和函数调用关联起来。 C语言中，所有的联编都是静态联编,并且任何一种编译器都支持静态联编。 C++语言中，函数重载和函数模板也是静态联编。 C++语言中，使用对象名加点“.”成员选择运算符，去调用对象虚函数，则被调用的虚函数是在编译和链接时确定。（称为静态联编）。动态联编（dynamic binding）亦称滞后联编（late binding）或晚期绑定：动态联编是指在程序执行的时候才将函数实现和函数调用关联起来。 C++语言中，使用类类型的引用或指针调用虚函数（成员选择符“->”），则程序在运行时选择虚函数的过程，称为动态联编。

虚析构函数

C++ 中构造函数不能定义为虚函数：关于C++为什么不支持虚构造函数，虚函数调用只需要“部分的”信息，即只需要知道函数接口，而不需要对象的具体类型。但是构建一个对象，却必须知道具体的类型信息。如果你调用一个虚构造函数，编译器怎么知道你想构建是继承树上的哪种类型呢？所以构造函数不能为虚。为什么构造函数不可以是虚函数呢？

构造函数的用途：

1）创建对象

2）初始化对象中的属性

3）类型转换。

在类中定义了虚函数就会有一个虚函数表（vftable), 对象模型中就含有一个指向虚表的指针(__vfptr)。在定义对象时构造函数设置虚表指针指向虚函数表。

使用指针和引用调用虚函数，在编译只需要知道函数接口，运行时指向具体对象，才能关联具体对象的虚方法（通过虚函数指针查虚函数表得到具体对象中的虚方法）

构造函数是类的一个特殊的成员函数： 1）定义对象由系统自动调用构造函数，对象自己是不可以调用构造函数； 2）构造函数的调用属于静态联编，在编译时必须知道具体的类型信息。

如果构造函数可以定义为虚构造函数，使用指针调用虚构造函数，如果编译器采用静态联编，构造函数就不能为虚函数。如果采用动态联编，运行时指针指向具体对象，使用指针调用构造函数，相当于已经实例化的对象在调用构造函数，这是不容许的调用，对象的构造函数只执行一次。

如果指针可以调用虚构造函数，通过查虚函数表，调动虚构造函数，那么，当指针为nullptr, 如何查虚函数表呢？

构造函数的调用是在编译时确定，如果是虚构造函数，编译器怎么知道你想构建是继承树上的哪种类型呢？总结：构造函数不允许是虚函数。 Bjarne建议的解决方案是factory pattern，也就是为每一个要构建的类型再创建一个对应的 factory，把问题放到factory的make方法中去解决。这也是C++中的通用解决方案。虚析构函数：析构函数是类的一个特殊的成员函数： 1）当一个对象的生命周期结束时，系统会自动调用析构函数注销该对象并进行善后工作，对象自身也可以调用析构函数； 2）析构函数的善后工作是：释放对象在生命期内获得的资源（如动态分配的内存，内核资源）； 3）析构函数也用来执行对象即将被撤销之前的任何操作。根据赋值兼容规则，可以用基类的指针指向派生类对象，如果使用基类型指针指向动态创建的派生类对象，由该基类指针撤销派生类对象，则必须将析构函数定义为虚函数，实现多态性，自动调用派生类析构函数，否则可能存在内存泄漏问题。总结：在实现运行时的多态，无论其他程序员怎样调用析构函数都必须保证不出错，所以必须把析构函数定义为虚函数。注意：类中没有虚函数，就不要把析构函数定义为虚。在动态分配内存时所有C++的标准库函数都采用这种格式。

纯虚函数和抽象类

纯虚函数的概念：纯虚函数（pure virtual function）是指没有具体实现的虚成员函数。它用于这样的情况：设计一个类型时，会遇到无法定义类型中虚函数的具体实现，其实现依赖于不同的派生类。定义纯虚函数的一般格式为： virtual 返回类型函数名（参数表）= 0； “=0”表明程序员将不定义该虚函数实现，没有函数体，只有函数的声明；函数的声明是为了在虚函数表中保留一个位置。“=0”本质上是将指向函数体的指针定义为nullptr。抽象类的概念：含有纯虚函数的类是抽象类。抽象类是一种特殊的类，它是为抽象的目而建立的，它处于继承层次结构的较上层。抽象类不能实例化对象，因为纯虚函数没有实现部分，所以含有纯虚函数类型不能实例化对象；抽象类的主要作用：将相关的类型组织在一个继承层次结构中，抽象类为派生类型提供一个公共的根，相关的派生类型是从这个根派生而来。

抽象类的使用规则：（1）抽象类只能用作其他类的基类，不能创建抽象类的对象。（2）抽象类不能用作参数类型、函数返回类型或显式类型转换。（3）可以定义抽象类的指针和引用，此指针可以指向（引用可以引用）它的派生类的对象，从而实现运行时多态。注意：抽象类只能作为基类来使用，其纯虚函数的实现由派生类给出。如果派生类没有重新定义纯虚函数，而派生类只是继承基类的纯虚函数，则这个派生类仍然还是一个抽象类。如果派生类中给出了基类纯虚函数的实现，则该派生类就不再是抽象类了，它是一个可以建立对象的具体类型。

接口继承和实现继承

公有继承的概念看起来很简单，进一步分析，会发现它由两个可分的部分组成：函数接口的继承和函数实现的继承。为类的设计者：有时希望派生类只继承成员函数的接口（声明），纯虚函数；有时希望派生类同时继承函数的接口和实现，但允许派生类改写实现，虚函数。有时则希望同时继承接口和实现，并且不允许派生类改写任何东西，非虚函数。为了更好地体会这些选择间的区别，看下面这个类层次结构，它用来表示一个图形程序中的几何形状：