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C++相关概念和易错语法(21)(虚函数、协变、析构函数的重写)

多态的核心是虚函数,本文从虚函数出发,根据原理慢慢推进得到结论,进而理解多态

1.虚函数

先看一下下面的代码,想想什么导致了这个结果


#include <iostream>
using namespace std;class A
{
public:virtual void test(){cout << "A" << endl;;}
};class B : public A
{
public:void test(){cout << "B" << endl;;}
};class C : public B
{
public:void test(){cout << "C" << endl;;}
};void Test(A& r)
{r.test();
}int main()
{A a;B b;C c;Test(a);Test(b);Test(c);return 0;
}

结果是

如果我们去掉A里面的virtual呢?

我们可以看到前后两次结果不同,为什么呢?函数形参为什么是以A&来接收的,调用时为什么还有区别呢?这就需要接触虚函数了。

(1)虚函数和虚函数表

当我们在父类声明了一个虚函数后,这个函数就被存在常量区了,同时在这个类里又多了一个新的隐藏成员,叫虚函数表(这个成员要算在整个类的大小里面)。这个虚函数表就是专门存虚函数的地址的(本质是函数指针数组,根据不同机器指针大小也不同)。对于父类而言,无论创建多少对象,它们都共用一个虚函数表(即对于同一种类,函数都是一样的)。这里要分清:虚函数是存在常量区的而不存在类里,类中存的是虚函数表。

(2)重写

虚函数有什么用呢?当子类实现一个和父类虚函数函数名、参数、返回值完全一样的函数时,就叫做重写。重写是一种特殊的隐藏,是在多态中的一种语法,而隐藏只要求函数名相同,是继承中的语法。重写的意义在于子类也有一个新的虚函数表,虽然函数前没有加声明virtual(父类前必须加),当子类显式写了这个函数,就会存到常量区,虚函数表存函数的地址(第一句指令的地址)。对于这个子类,无论创建多少个对象,它们都使用同一个针对子类的虚函数表。如果说有多个虚函数而子类没有重写,那个没有重写的函数就使用父类的对应的函数(反正没区别)。

(3)对多态的理解

到这里,我们对虚函数表、虚函数和重写有了一定了解,实际就是在最初的父类的函数前加上virtual,让该函数进入虚函数表,子类重写会让虚函数表存的函数不同,在调用的时候明明是调用的同一个函数,但得到的结果是针对每一种类不同的。这就叫多态,即多种形态,针对不同的类有不同的表现形态。

(4)对多态调用方式的理解

函数形参为什么是以A&来接收的?

我们进一步关注Test(A& r)这个函数,前面我们讲了赋值兼容转换,因此当B和C传进去的时候,r都会指向子类中的父类部分,这里相当于给它们的父类部分取别名。也就是说,r无论接收的是A还是B还是C,最终都会被切割成A的模样(A中也有虚函数表),但是内容是不是都一样呢?

很明显,虚函数表的作用就凸显出来了,A、B、C都有一个虚函数表,在B、C切割成A后,虚函数表被保留了下来,当我们用r去调用虚函数时,编译器会默认去虚函数表找到对应的函数(三种虚函数表的函数在函数名、参数、返回值上都相同,但存的函数地址不同),根据不同的函数地址就能找到不同的函数实现,这也是重写的意义所在。

至此,我们应该能够理解前面所说虚函数、虚函数表、重写存在的意义了,它们的出现都最终服务于实现一件事——多态,即根据不同类,在调用同一函数时体现出不同状态。

(5)是否有其它调用方式?

事实上,使用A&调用本质就是利用了赋值兼容转换,将多个子类都切割成父类的形式,再根据它们虚函数表的值的差异,调用不同的同名函数,体现出类与类之间的区别。很明显,除了引用,指针也适合,但赋值呢?赋值不是也遵循赋值兼容转换吗?

从实验上看是不行的,但也好理解。r都已经完全变成A类型了,再去调用B或C的成员就不太说得过去了。你可以将这里理解成一种特殊处理,支不支持都说得过去,但从形式上来说不支持更合理。

(6)多态的条件

很多课程都喜欢先说条件再将原因,而如果我们慢慢推进,到这里自然就理解了。

多态需满足条件:父类函数(想和子类形成差异的第一个函数就叫父类函数)写virtual(父类如果不写virtual而子类写virtual,那第一个写virtual的才叫父类,你可以将virtual当作一个多态开始的标志),后续的所有子类写不写virtual无所谓;子类覆盖/重写父类的虚函数;调用时使用父类的指针或引用,特别注意不能用赋值。

2.协变

上面说过要重写函数,必须保证函数的函数名、参数、返回值相同。但有唯一一个例外可以在返回值不同时能构成重写,就是协变(基本不用),即返回值可以是父子类的引用或指针

下面这段代码是能跑过的


#include <iostream>
using namespace std;class A
{
public:virtual A& test(){cout << "A" << endl;;return *this;}
};class B : public A
{
public:B& test(){cout << "B" << endl;;return *this;}
};void Test(A& r)
{r.test();
}int main()
{A a;B b;Test(a);Test(b);return 0;
}

注意,返回值可以加const,返回值也可以是其它类,但必须是父子关系


#include <iostream>
using namespace std;class C
{};class D : public C
{};class A
{
public:virtual const C* test(){cout << "A" << endl;C* c = new C;return c;}
};class B : public A
{
public:const D* test(){cout << "B" << endl;D* d = new D;return d;}
};void Test(A& r)
{r.test();
}int main()
{A a;B b;Test(a);Test(b);return 0;
}

注意父子关系顺序不能反,父类返回值对应父类的虚函数

协变几乎不用,了解即可。我们大部分情况还是要保证函数名、参数、返回值相同,讨论的时候也是跳过这个特殊情况的。

3.析构函数的重写

理解析构函数的重写可以加深我们对析构函数的理解,顺便能够解释为什么所有的析构函数都会被处理成destructor()


#include <iostream>
using namespace std;class A
{
public:~A(){cout << "A" << endl;}
};class B : public A
{
public:~B(){cout << "B" << endl;delete p;}int* p;
};int main()
{A* a = new B;delete a;return 0;
}

这段代码会导致内存泄漏,因为当delete a的时候,会根据a的类型去调用析构函数,这里就只会去调用A的析构函数

联系到上面的重写,很快我们就会想到使用virtual修饰父类的析构函数,让析构函数进入虚函数表。但是很明显父类和子类的类名是不可能相同的,所以类的析构函数做了特殊处理:即都重命名为~destructor(),这样就符合了虚函数的要求


我们可以看到,这里根据虚函数表就能成功调到子的析构函数了,同时对于所有继承而言,子的析构调用完成之后都会逐级向上调用父的析构函数

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