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C++继承与多态

一、类继承

    C++是一种面向对象的语言,最重要的一个目的就是——提供可重用的代码,而类继承就是C++提供来扩展和修改类的方法。类继承就是从已有的类中派生出新的类,派生类继承了基类的特性,同时可以添加自己的特性。实际上,类与类之间的关系分为三种:代理、组合和继承。以下是三种关系的图解:(为了更好的理解)

    基类可以派生出派生类,基类也叫做“父类”,派生类也称为“子类”。

    那么,派生类从基类中继承了哪些东西呢?分为两个方面:1. 变量——派生类继承了基类中所有的成员变量,并从基类中继承了基类作用域,即使子类中的变量和父类中的同名,有了作用域,两者也不冲突。2.方法——派生类继承了基类中除去构造函数、析构函数以外的所有方法。

二、继承方式和访问限定符

   继承方式有三种——public、protected和private,不同的继承方式对继承到派生类中的基类成员有什么影响?见下图:

    总的来说,父类成员的访问限定符通过继承派生到子类中之后,访问限定符的权限小于、等于原权限。其中,父类中的private成员只有父类本身及其友元可以访问,通过其他方式都不能进行访问,当然就包括继承。protected多用于继承当中,如果对父类成员的要求是——子类可访问而外部不可访问,则可以选择protected继承方式。

三、派生类对象的构造方式

    前面也提到,派生类将基类中除去构造函数和析构函数的其他方法继承了过来,那么对于派生类对象中自己的成员变量和来自基类的成员变量,它们的构造方式是怎样的呢?

    答案是:1.先调用基类构造函数,构造基类部分成员变量,再调用派生类构造函数构造派生类部分的成员变量。2.基类部分成员的初始化方式在派生类构造函数的初始化列表中指定。3.若基类中还有成员对象,则先调用成员对象的构造函数,再调用基类构造函数,最后是派生类构造函数。析构顺序和构造顺序相反。见下:

#include <iostream>
using namespace std;

class Test
{
public:
	Test()
	{
		cout<<"Test::Test()"<<endl;
	}
private:
	int mc;
};

class Base
{
public:
	Base(int a)
	{
		ma = a;
		cout<<"Base::base()"<<endl;
	}
	~Base()
	{
		cout<<"Base::~base()"<<endl;
	}
private:
	int ma;
	Test t;
};

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b):Base(b)
	{
		mb = b;
		cout<<"Derive::derive()"<<endl;
	}
	~Derive()
	{
		cout<<"Derive::~derive()"<<endl;
	}
private:
	int mb;
};

int main()
{
	Derive d(2);
	 
	return 0;
}

结果如下:

四、基类和派生类中同名成员的关系

    派生类从基类中继承过来的成员(函数、变量)可能和派生类部分成员(函数、变量)重名。1.前面提到,派生类从基类中继承了基类作用域,所以同成员名变量可以靠作用域区分开(隐藏)。2.同名成员函数则有三种关系:重载、隐藏和覆盖。

1. 重载_overload

    函数重载有三个条件,一函数名相同,二形参类型、个数、顺序不同,三相同作用域。根据第三个条件,可知函数重载只可能发生在一个类中,见下:

class Base
{
public:
	Base(int a)
	{
		ma = a;
	}
	void show()
	{
		cout<<"base show 1"<<endl;
	}
	void show(int b)
	{
		cout<<"base show 2"<<endl;
	}
private:
	int ma;
};

其中,两个show函数构成函数重载。

2. 函数隐藏_overhide

    在派生类中将基类中的同名成员方法隐藏,要想在派生类对象中访问基类同名成员得加上基类作用域。(注意,如果该同名方法在基类中实现了重载,在派生类对象中同样需要指定作用域,而不能通过简单的传参,调用带参重载方法)

#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
	Base(int a)
	{
		ma = a;
	}
	void show()
	{
		cout<<"base show 1"<<endl;
	}
	void show(int b)
	{
                cout<<b<<endl;
		cout<<"base show 2"<<endl;
	}
private:
	int ma;
};

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b):Base(b)
	{
		mb = b;
	}
	void show()
	{
		cout<<"derive show 1"<<endl;
	}
	
private:
	int mb;
};

int main()
{
	Derive d(1);
	d.show();
	d.Base::show();
	d.Base::show(2);
	 
	return 0;
}

结果如下:

3. 函数覆盖_override

    基类、派生类中的同名方法 函数头相同(参数、返回值),且基类中该方法为虚函数,则派生类中的同名方法将基类中方法覆盖。这里涉及到了虚函数的问题,在后续进行讲解。函数隐藏和函数覆盖都是发生在基类和派生类之间的,可以这么理解:基类和派生类中的同名函数,除去是覆盖的情况,其他都是隐藏的情况。

五、引用和指针

1. 基类对象和派生类对象

    1.1 派生类对象可以赋值给基类对象

   1.2 基类对象不可以赋值给基类对象   

对于基类对象和派生类对象,编译器默认支持从下到上的转换,上是基类,下是派生类。

2. 基类指针(引用)和派生类指针(引用)

    2.1 基类指针(引用)可以指向派生类对象,但只能访问派生类中基类部分的方法,不能访问派生类部分方法
    2.2 派生类指针(引用)不可以指向基类对象,解引用可能出错,因为派生类的一些方法可能基类没有

编译器只支持从上到下的转换,即只能允许基类指针去指向派生类类对象。

以上对于方法的访问都是基于指针的类型。我们可以看一下基类和派生类的大小,以及基类、派生类的指针(引用)的类型。

#include <iostream>
#include <typeinfo>
using namespace std;

class Base
{
public:
	Base(int a = 1)
	{
		ma = a;
	}
	void show()
	{
		cout<<"base show 1"<<endl;
	}
	void show(int b)
	{
		cout<<"base show 2"<<endl;
	}
private:
	int ma;
};

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b = 2):Base(b)
	{
		mb = b;
	}
	void show()
	{
		cout<<"derive show 1"<<endl;
	}
	
private:
	int mb;
};

int main()
{
	Base b;
	Derive d;

	Base* p = &d;

	cout<<"base size"<<sizeof(b)<<endl;
	cout<<"derive size"<<sizeof(d)<<endl;
	cout<<"p type"<<typeid(p).name()<<endl;
	cout<<"*p type"<<typeid(*p).name()<<endl;

	return 0;
}

结果如下:

    分析:Base类和Derive类的大小就是他们各自包含的成员变量的总大小,Derive类继承了Base类中的成员变量,所以要比Base类大4个字节。在上面提到,这里的方法调用都是依据指针的类型,所以我们可以看到 对基类指针p解引用得到的类型只和指针本身的类型相关。

    其实,以上的方法指的是普通方法,对于特殊方法——虚函数的调用则完全不一样!

六、虚函数

    首先,我们看一下当Base*指向Derive对象时,而Base类中含有虚函数时,基类和派生类大小、基类和派生类指针(引用)的类型。

#include <iostream>
#include <typeinfo>
using namespace std;

class Base
{
public:
	Base(int a = 1)
	{
		ma = a;
	}
	virtual void show()
	{
		cout<<"base show 1"<<endl;
	}
	void show(int b)
	{
		cout<<"base show 2"<<endl;
	}
private:
	int ma;
};

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b = 2):Base(b)
	{
		mb = b;
	}
	void show()
	{
		cout<<"derive show 1"<<endl;
	}
	
private:
	int mb;
};

int main()
{
	Base b;
	Derive d;

	Base* p = &d;

	cout<<"base size:"<<" "<<sizeof(b)<<endl;
	cout<<"derive size:"<<" "<<sizeof(d)<<endl;
	cout<<"p type:"<<" "<<typeid(p).name()<<endl;
	cout<<"*p type:"<<" "<<typeid(*p).name()<<endl;

	return 0;
}

结果如下:

    分析:当Base类中有虚函数时,不论是Base类还是Derive类,它们的大小都增加了4个字节。并且当Base*指向Derive对象时,*Base的类型却变为Derive,不再和指针本身的类型相关,这是怎么回事呢?

1. 虚函数指针 

    实际上,Base和Derive类增加的4个字节就是虚函数指针的大小,每一个类只要有虚函数(包括继承而来的),它就有且只有一个虚函数指针,类的大小就是总的成员变量的大小加上一个虚函数指针的大小。虚函数指针指向的是一张虚表,里面是这个类所有虚函数的地址,一个类对应一张虚函数表,而虚函数指针存在于每一个对象中,并且永远占据对象内存的前四个字节。

    以含有虚函数的Base类为例,下面是它的内存布局:

class Base
{
public:
	Base(int a = 1)
	{
		ma = a;
	}
	virtual void show()
	{
		cout<<"base show 1"<<endl;
	}
	virtual int getnum()
	{
		return ma;
	}
private:
	int ma;
};


2. 虚函数表 

    虚函数表又称为“虚表”,它在编译期间就已经确定,在程序运行时就会被装载到只读数据段,在整个程序运行期间都会一直存在。一个类实例化的多个对象,它们 的虚函数指针指向的是同一张虚表。

    以上Base类中虚函数指针vfptr指向的虚函数表——vftable如下所示:

    

3.虚表的合并

    Base类的派生类Derive类定义:

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b = 2):Base(b)
	{
		mb = b;
	}
	void show()
	{
		cout<<"derive show 1"<<endl;
	}
	virtual int getval()
	{
		return mb;
	}
private:
	int mb;
};

上面已经给出了Base类的内存布局,以下是仿照其画出的Derive类的内存布局:

    实际上,Derive类的内存布局并不是这样,前面明确提到“只要有虚函数,就一定有且只有一个虚函数指针”,那么派生类中只能有一个虚函数指针,又根据“虚函数指针永远占据对象的前四个字节”原则,那么正确的内存布局见下:

    相应地,派生类的虚函数表也有变化。如果派生类中实现了同名覆盖函数,则派生类虚表中该同名覆盖函数的地址会将基类该同名方法的地址覆盖。派生类中如果没有实现覆盖,则里面的同名函数地址还是基类方法的地址。Derive类中对show方法实现了同名方法覆盖,则它的虚函数表为:

4.哪些方法不能实现为虚函数?

    成员函数能实现为虚函数需要满足两个前提条件: 1.成员方法能取地址  2.成员方法依赖于对象。第一点毋庸置疑,虚函数表中需要存储虚函数的地址。第二点,我们怎么调用虚函数的?通过虚函数指针来找到虚表从而调用其中的方法,而虚函数指针又存在于对象中,所以这就意味着虚函数的调用需要依赖对象。

    那么,我们可以确定一些不能实现为虚函数的方法: 1.构造函数——构造函数就是用来创建对象的,如何将其实现为虚函数,使其依赖一个对象调用? 2.inline函数——内联函数直接在调用点展开,不能取地址 3.static方法——静态方法是属于整个类的,不依赖与单个对象。

5.静态绑定和动态绑定 

    在编译期就确定调用具体方法从而执行特定的函数代码称为“静态绑定”,在运行期才确定下调用哪个方法称为“动态绑定”。实现“静态绑定”的机制有:函数重载、模板。而实现“动态绑定”的机制是虚函数。

    当方法没有实现为virtual时,在编译期就可以根据对象的类型、指针的类型来确定调用哪个方法,当实现为virtual时,就得在运行时通过对象中的虚函数指针,找到相应的虚函数表,得到方法地址,才能确定调用的是哪个方法,这时通过指针调用就和指针的类型无关。

    Base类中实现了虚函数,Base*指向Derive对象时,*Base的类型变为Derive,这里就涉及到虚表中的内容——RTTI。

    5.1  虚表的结构  
    上面关于虚表的结构是简易版本,主要突出地址,以下是虚表的具体结构。
      

    RTTI又称为“运行时多态”,当基类中实现了虚函数时,基类指针指向派生类对象时,打印 *指针 类型得到的会是派生类类型。得到的 *指针 类型其实是 派生类的虚函数表中的RTTI内容。

   5.2 动态绑定(运行时多态)

    “ 运行时多态 ”和指针、引用调用方法相关,前提是该方法是虚函数。用基类指针指向基类对象、基类指针指向派生类对象和派生类指针指向派生类对象(引用同理),通过该指针或引用调用虚函数时,会发生多态——访问指针指向对象的虚函数表,找到对应方法的地址,最后调用。用对象本身去调用方法(包括虚函数)时不会发生多态。

#include <iostream>
#include <typeinfo>
using namespace std;

class Base
{
public:
	Base(int a = 1)
	{
		ma = a;
	}
	virtual void show()
	{
		cout<<"base show 1"<<endl;
	}
	virtual int getnum()
	{
		return ma;
	}
private:
	int ma;
};

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b = 2):Base(b)
	{
		mb = b;
	}
	void show()
	{
		cout<<"derive show 1"<<endl;
	}
	virtual int getval()
	{
		return mb;
	}
private:
	int mb;
};

int main()
{
	Base b;
	Derive d;

	Base* p = &d;

	cout<<"*p type: "<<typeid(*p).name()<<endl;
	p->show();

	return 0;
}

结果为:

6.抽象类和纯虚函数

    纯虚函数没有具体的实现,含有纯虚函数的类称为“抽象类”。抽象类不能实例化对象,只能作为基类,派生类可以继承抽象类,对抽象类中的纯虚函数实现 函数重写覆盖。

7.析构函数之虚函数

    前面我们探讨了那些不能实现虚函数的情况,析构函数是可以的。那么什么时候应该将析构函数实现为虚函数呢?答案是:当基类指针指向堆上开辟的派生类对象时。

class Base
{
public:
	Base(int a = 1)
	{
		ma = a;
		cout<<"Base"<<endl;		
	}
	~Base()
	{
		cout<<"~Base"<<endl;
	}
private:
	int ma;
};

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b = 2):Base(b)
	{
		mb = b;
		cout<<"Derive"<<endl;
	}
	~Derive()
	{
		cout<<"~Derive"<<endl;
	}
private:
	int mb;
};

int main()
{

	Base* p = new Derive(2);
	delete p;

	return 0;
}


    我们可以看到,最后只调用了基类的析构函数,而派生类并没有析构。因为这时调用方法就与指针的类型有关,指针类型是Base,则只调用Base的析构函数,只将Base部分的数据释放。如果将析构函数实现为虚函数,则调用方法时就与指针类型无关,而是发生动多态——访问到了派生类的虚函数表,调用派生类析构函数之后,再自动调用基类析构函数,整个析构过程才完整。

class Base
{
public:
	Base(int a = 1)
	{
		ma = a;
		cout<<"Base"<<endl;		
	}
	virtual ~Base()
	{
		cout<<"~Base"<<endl;
	}
private:
	int ma;
};

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b = 2):Base(b)
	{
		mb = b;
		cout<<"Derive"<<endl;
	}
	~Derive()
	{
		cout<<"~Derive"<<endl;
	}
private:
	int mb;
};

int main()
{

	Base* p = new Derive(2);
	delete p;

	return 0;
}

8. 派生类中有虚函数指针,基类中没有虚函数指针时,使基类指针指向派生类对象(new),delete基类指针时引发的一系列问题?

class Base
{
public:
	Base(int a = 1)
	{
		ma = a;
		cout<<"Base"<<endl;		
	}
	~Base()
	{
		cout<<"~Base"<<endl;
	}
private:
	int ma;
};

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b = 2):Base(b)
	{
		mb = b;
		cout<<"Derive"<<endl;
	}
	virtual ~Derive()
	{
		cout<<"~Derive"<<endl;
	}
private:
	int mb;
};

int main()
{

	Base* p = new Derive(2);
	delete p;

	return 0;
}



    new返回给基类指针的并不是派生类对象的起始地址,而是派生类对象中基类成员开始的地址,最后delete基类指针时的地址 != 派生类对象的起始地址(new是从哪里开始分配内存的,就从哪里开始回收delete),因而析构派生类部分时出错。     
    因此,应该避免这种情况,一定要将基类中的析构函数实现为虚函数,基类中也存在虚函数表之后,delete时就会发生析构函数的动多态,正确释放空间。

9. 虚函数表的写入时间

    在编译期间,虚函数表中已经将虚函数的地址写好,并把虚函数表的地址写到对象虚函数指针当中,我们来佐证以下这点:

class Base
{
public:
	Base(int a):ma(a)
	{
		clear();
	}
	virtual ~Base(){}
	void clear(){memset(this,0,sizeof(*this));}
	virtual void show()
	{
		cout<<"Base::"<<ma<<endl;
	}
private:
	int ma;
};

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b):Base(b),mb(b){}

	~Derive(){}
	void show()
	{
		cout<<"Derive::"<<mb<<endl;
	}
private:	
	int mb;
};

int main()
{
	Base* p = new Base(10);
	p->show();
	delete p;

	return 0;
}

执行结果如下:

    执行p->show()时出错了?因为发生运行时多态时,clear()将基类对象整个内存都置为0,此时基类的虚函数指针存储的是0x00000000,虚表找不到,则show()函数的地址也找不到,调用出错!

    那么,下面的代码可以执行成功吗?

class Base
{
public:
	Base(int a):ma(a)
	{
		clear();
	}
	virtual ~Base(){}
	void clear(){memset(this,0,sizeof(*this));}
	virtual void show()
	{
		cout<<"Base::"<<ma<<endl;
	}
private:
	int ma;
};

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b):Base(b),mb(b){}

	~Derive(){}
	void show()
	{
		cout<<"Derive::"<<mb<<endl;
	}
private:	
	int mb;
};

int main()
{
	Base* p = new Derive(10);
	p->show();
	delete p;

	return 0;
}

不能?答案见下:

    为什么这下就执行成功了呢?不是已经把虚函数指针置零了吗?

    派生类对象的构造过程是怎么的?先构造基类部分在构造派生类部分。在构造基类部分时,会将虚函数指针和虚表都初始化好,在这里构造完之后就紧接着clear()置零了,但是后续还要构造派生类部分!这个过程会重写虚函数指针,指针指向了Derive类对应的虚函数表,虚函数指针值由“0x00000000”改变成一个有效值。既然派生类对象中有一个有效的虚函数指针,那么p->show()当然就能成功。

10.静态绑定和动态绑定的时间

    我们已经明确地知道:静态绑定发生在编译阶段,动态绑定发生在运行阶段。为了对此有更深刻的理解,这里分以下几点来延伸内容。

10.1 构造函数和析构函数中能不能实现动多态?

           在之前的讨论中,我们确定了构造函数本身是不能写成虚函数的,而析构函数必要时需要实现为虚函数。那么在他们的函数体中能否实现多态,调用虚函数呢?

class Base
{
public:
	Base(int a):ma(a)
	{
		show();
	}
	virtual ~Base()
	{}
	virtual void show()
	{
		cout<<"Base::"<<ma<<endl;
	}
private:	
	int ma;
};

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b):Base(b),mb(b)
	{
		show();
	}

	~Derive(){}
	void show()
	{
		cout<<"Derive::"<<mb<<endl;
	}
private:
	
	int mb;
};

int main()
{
	Base* p = new Derive(10);

	delete p;
	return 0;
}

结果执行成功,发生动多态了?让我们来看看对应的汇编代码吧。

    不论是基类部分的show()还是派生类的show(),汇编代码对应的都是“call 函数地址”,这是静态绑定,这在编译期间就已经确定了具体调用的函数。那么,发生动多态的汇编代码又是什么样呢?

    所以我们可以确定,静态绑定对应的汇编代码总是“call 一个确切函数地址”,动态绑定对应的汇编代码“call eax”,eax寄存器中的值是不确定的,只有在运行时才会确定下来。析构函数中调用虚函数同样也不会发生动多态,只是静多态。

    既然我们已经知道构造函数和析构函数中实现的是静多态,那么为什么不能实现动多态呢?1. 虚函数实现的前提是——函数依赖于对象,构造函数就是来构造一个新对象的,如何实现动多态? 2. 析构函数的调用依赖于对象,所以析构函数可以实现为虚函数。可是在执行析构函数时,这个对象就在逻辑意义上消失了,生存周期结束,在这之中调用虚函数也是无法依赖对象调用的。

10.2 将子类中的虚方法放入private底下,通过基类指针调用该方法,编译能成功吗?
class Base
{
public:
	Base(int a):ma(a){}
	virtual ~Base(){}	
	virtual void show()
	{
		cout<<"Base::"<<ma<<endl;
	}
private:
	int ma;
};

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b):Base(b),mb(b){}
	~Derive(){}
private:
	void show()
	{
		cout<<"Derive::"<<mb<<endl;
	}
	int mb;
};

int main()
{
	Base* p = new Derive(10);
	p->show();

	delete p;
	return 0;
}

结果如下:


    编译、运行都通过了,为什么呢?

    编译阶段,访问限定符public、protected和private发挥着作用,控制着外界对类成员的访问。p是一个Base*类型,因此p只能看到Base类中的成员,即Base::show(),而它的访问限定符为public——外界可访问,因此编译阶段可以通过。到了运行阶段后,因为基类中的show()是一个虚函数,所以发生动多态,最后执行的show()方法就是派生类的show方法。

    注意:

    1. 在派生类中,只要实现了和基类虚方法同函数头的函数,不论它之前的限定符是何种,它和基类同名虚函数的关系都叫做“覆盖”。

    2. 运行期期间,限定符不发挥作用,因为找到虚函数表中对应的虚函数地址后,直接“call 函数地址”。

10.3 将基类虚函数放入protected或private中,利用基类指针调用该方法,编译能通过吗?
class Base
{
public:
	Base(int a):ma(a){}
	virtual ~Base(){}	
protected:
	virtual void show()
	{
		cout<<"Base::"<<ma<<endl;
	}
	int ma;
};

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b):Base(b),mb(b){}
	~Derive(){}
	void show()
	{
		cout<<"Derive::"<<mb<<endl;
	}
private:
	int mb;
};

int main()
{
	Base* p = new Derive(10);
	p->show();

	delete p;
	return 0;
}

    编译不能通过。就如10.3中所说,编译阶段访问限定符发挥着作用。Base类中的show()的限定符为protected,这意味着对外界不可见,只有本身和子类可以访问,Base::show()对Base* p不可见,因此编译错误。

10.4 当基类虚函数带有默认值,派生类同名虚函数也带有不同默认值时,通过基类指针调用派生类该方法时,默认值究竟是哪个?
class Base
{
public:
	Base(int a):ma(a){}
	virtual ~Base(){}	
	virtual void show(int a=30)
	{
		cout<<"Base::"<<a<<endl;
	}
private:
	int ma;
};

class Derive : public Base
{
public:
	Derive(int b):Base(b),mb(b){}
	~Derive(){}
	void show(int b=80)
	{
		cout<<"Derive::"<<b<<endl;
	}
private:
	int mb;
};

int main()
{
	Base* p = new Derive(10);
	p->show();

	delete p;
	return 0;
}

结果如下:

最后得知,Derive::show()中的默认值变为了基类同名方法的默认值,为什么呢?

    因为,在编译阶段,调用函数之前需要压参数,参数有默认值的话,压入的就是确切的值。,main函数中 Base*-->Derive::show(),此时在产生的汇编代码中,压入的参数就是Base::show()中的默认值30,在运行阶段发生多态调用Derive中的方法,执行的还是这段汇编代码,即得到的默认值还是30。

     总的来说, 在编译期间,函数默认值、是否可调用该函数、虚函数指针和虚表的内容都可以确定下来。