C++17 --- 多态性、虚函数、多态的条件、联编（捆绑，绑定）

news2025/8/3 5:15:22

一、多态性

1、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。

多态的四种形态：

重载多态 -- 函数重载、运算符重载
包含多态 -- virtual 函数
参数多态 -- 模板
强制多态 -- 强制类型装换：static_cast , const_cast ,....

2、编译时的多态和运行时的多态

在这里插入图片描述

3、编译时多态，早期绑定

int max(int a,int b){ return a > b ? a : b;}

char Max(char a,char b){ return a > b ? a : b;}

double Max(double a，double b) { return a > b ? a : b; }

int main()
{
	int x = Max(12, 23) ;
	char ch = Max('c', 'b');
	double dx = Max(12.23， 34.45);
	return 0 ;
}

机器代码，编译链接时的函数名称：
在这里插入图片描述

4、运行时的多态

1）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)通过基类的弓|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。

2）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。

3）示例:运行时的多态性，晚绑定。

4）总结：

运行时的多态：共有继承 + 虚函数 + （指针或引用调用虚函数）。

二、虚函数

1、虚表

如果一个类包含了虚函数，不管有多少个虚函数，则增加了一个指针的大小。
有了一个虚指针 – VPtr ，vptr 指向一个虚表（vtable）,虚表里面存储本类中虚函数的入口地址。

对于代码：

class A
{
public:
	virtual void fa(){cout << "A::fa" << endl;}
	virtual void fb(){cout << "A::fb" << endl;}
	virtual void fc(){cout << "A::fc" << endl;}
};

void main()
{
	A a;
}

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2、虚表的大小

不论有多少个虚函数，只要有，就多一个指针的大小。

示例代码：

class A
{
public:
};

class B
{
public:
	void ffn(){}
};

class C1
{
public:
	virtual void fa(){cout << "A::fa" << endl;}
};

class C2
{
public:
	virtual void fa(){cout << "A::fa" << endl;}
	virtual void fb(){cout << "A::fb" << endl;}
};
class C3
{
public:
	virtual void fa(){cout << "A::fa" << endl;}
	virtual void fb(){cout << "A::fb" << endl;}
	virtual void fc(){cout << "A::fc" << endl;}
};

void main()
{
	cout << sizeof(A) << endl;// 其为1
	cout << sizeof(B) << endl;// 也为1
	cout << sizeof(C1) << endl;//4
	cout << sizeof(C2) << endl;//4
	cout << sizeof(C3) << endl;//4
}

运行结果：

在这里插入图片描述

3、通过数组名加下标读取到虚表内的函数

	A a;
	typedef void (*FUN)(); //定义了一个函数指针
	FUN pf = NULL; //pf是函数指针类型，为指向返回值为void,里面没有参数的一类函数
	pf = (FUN)*( (int *)*(int *)( (int *)(&d) + n ) + m ); //pf指向类a内虚表所指向的第一个函数函数名,n、m为自己给的值，+n表示第几张虚表，+m表示虚表内的第几个函数
	pf();

4、 一个类的虚表

class A
{
public:
	virtual void fa(){cout << "A::fa" << endl;}
	virtual void fb(){cout << "A::fb" << endl;}
	virtual void fc(){cout << "A::fc" << endl;}
};

void main()
{
	A a;
	typedef void (*FUN)(); //定义了一个函数指针
	FUN pf = NULL; //pf是函数指针类型，为指向返回值为void,里面没有参数的一类函数
	pf = (FUN)*(int *)(*(int *)(&a)); //pf指向类a内虚表所指向的第一个函数函数名
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)(*(int *)(&a)) + 1);
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)(*(int *)(&a)) + 2);
	pf();
}

运行结果：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

5、一个类继承另一个类的虚表

同名同参的虚函数，会进行重写/覆盖

class A
{
public:
	virtual void fa(){cout << "A::fa" << endl;}
	virtual void ga(){cout << "A::ga" << endl;}
	virtual void ha(){cout << "A::ha" << endl;}
};

class B:public A//B内有6个虚函数
{
public:
	virtual void fb(){cout << "B::fb" << endl;}
	virtual void gb(){cout << "B::gb" << endl;}
	virtual void hb(){cout << "B::hb" << endl;}
};

class C:public A//C内有5个虚函数
{
public:
	virtual void fa(){cout << "C::fc" << endl;}//同名同参的虚函数，会进行重写/覆盖
	virtual void gc(){cout << "C::gc" << endl;}
	virtual void hc(){cout << "C::hc" << endl;}
};

void main()
{
	cout << sizeof(A) << endl;//4
	cout << sizeof(B) << endl;//4
	cout << sizeof(C) << endl;//4
	cout<<endl;

	B b;
	typedef void(*FUN)();
	FUN pf = NULL;
	pf = (FUN)*(int *)(*(int *)(&b));
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)(*(int *)(&b)) + 1);
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)(*(int *)(&b)) + 2);
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)(*(int *)(&b)) + 3);
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)(*(int *)(&b)) + 4);
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)(*(int *)(&b)) + 5);
	pf();
	cout<<endl;

	C c;
	pf = (FUN)*(int *)(*(int *)(&c));
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)(*(int *)(&c)) + 1);
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)(*(int *)(&c)) + 2);
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)(*(int *)(&c)) + 3);
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)(*(int *)(&c)) + 4);
	pf();
}

运行结果：
在这里插入图片描述

三个类中虚表的内存布局：

在这里插入图片描述

6、一个类继承多个基类的虚函数

多继承 – 一个类继承多个类
基类有几个，就有几个虚表
将函数挂到第一个继承的类虚表内

对于多继承，在子类的对象中，每个父类都有自己的虚表，将最终与类的虚函数放在第一个父类的虚表中，这样做解决了不同的父类类型的指针指向比较清晰
如果在子类中重写了多个父类的同名同参虚函数，那么在虚表中同样做了修改

1）没有覆盖的情况

class A
{
public:
	virtual void fa(){cout << "A::fa" << endl;}
	virtual void ha(){cout << "A::ha" << endl;}
};

class B
{
public:
	virtual void fb(){cout << "B::fb" << endl;}
	virtual void hb(){cout << "B::hb" << endl;}
};

class C
{
public:
	virtual void fc(){cout << "C::fc" << endl;}
	virtual void hc(){cout << "C::hc" << endl;}
};

class D:public A,public B,public C
{
public:
	virtual void fd(){cout << "D::fd" << endl;}
	virtual void hd(){cout << "D::hd" << endl;}
};

int main()
{
	cout << sizeof(D) << endl ;//大小为12
	D d;

	typedef void(*FUN)();
	FUN pf = NULL;
	pf = (FUN)*(int *)( *(int *)(&d));
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)( *(int *)(&d)) + 1 );
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)( *(int *)(&d)) + 2 );
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)( *(int *)(&d)) + 3 );
	pf();

	cout<<endl;

	pf = (FUN)*((int *)*(int *)((int *)(&d) + 1 ));
	pf();
	pf = (FUN)*( (int *)*(int *)( (int *)(&d) + 1 ) + 1 );
	pf();

	cout<<endl;

	pf = (FUN)*( (int *)*(int *)( (int *)(&d) + 2 ));
	pf();
	pf = (FUN)*( (int *)*(int *)( (int *)(&d) + 2 ) + 1 );
	pf();
}

运行结果：

在这里插入图片描述

四个类的虚表内存布局

在这里插入图片描述

2）存在覆盖的情况

class A
{
public:
	virtual void ff(){cout << "A::fa" << endl;}//
	virtual void ha(){cout << "A::ha" << endl;}
};

class B
{
public:
	virtual void ff(){cout << "B::fb" << endl;}//
	virtual void hb(){cout << "B::hb" << endl;}
};

class C
{
public:
	virtual void ff(){cout << "C::fc" << endl;}//
	virtual void hc(){cout << "C::hc" << endl;}
};

class D:public A,public B,public C
{
public:
	virtual void ff(){cout << "D::ff" << endl;}//
	virtual void hd(){cout << "D::hd" << endl;}
};

int main()
{
	cout << sizeof(D) << endl ;//大小为12
	D d;

	typedef void(*FUN)();
	FUN pf = NULL;
	pf = (FUN)*(int *)( *(int *)(&d));//A::fa
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)( *(int *)(&d)) + 1 );
	pf();
	pf = (FUN)*((int *)( *(int *)(&d)) + 2 );
	pf();
	/*pf = (FUN)*((int *)( *(int *)(&d)) + 3 );
	pf();*/

	cout<<endl;

	pf = (FUN)*((int *)*(int *)((int *)(&d) + 1 ));
	pf();
	pf = (FUN)*( (int *)*(int *)( (int *)(&d) + 1 ) + 1 );
	pf();

	cout<<endl;

	pf = (FUN)*( (int *)*(int *)( (int *)(&d) + 2 ));
	pf();
	pf = (FUN)*( (int *)*(int *)( (int *)(&d) + 2 ) + 1 );
	pf();
}

运行结果：
在这里插入图片描述

四个类的内存布局

在这里插入图片描述

三、多态的条件

1、覆盖（重写）：

1、最少两个类，必须是父子关系；
2、同名同参虚函数，基类写了virtual，子类可以不写，他会将virtual继承下来

2、多态的条件：

1、满足覆盖
2、基类的指针或者引用指向基类对象或者派生类对象

四、联编（捆绑，绑定） – 函数调用 和 函数体联系的过程

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。

早捆绑/联编 – 在编译时
晚捆绑 – 在运行时

1、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)。

代码示例：

class A
{
public:
	virtual void fn(){ cout << "A::fn" << endl;}
};
class B:public A
{
public:
	virtual void fn(){ cout << "B::fn" << endl;}
};

class C:public A
{
public:
	void fn(){ cout << "C::fn" << endl;}
};

void test(A aa)
{
	aa.fn();
}

void main()
{
	A a;
	B b;
	C c;
	a.fn();//编译时就知道这是a的fn(),为静态联编
	b.fn();//编译时就知道这是b的fn()
	c.fn();
	cout<<endl;

	test(a);
	test(b);//编译时就已经确定，test内的fn()是类a内的fn(),在编译时就已经捆绑，为静态联编
	test(c);
	
}

在这里插入图片描述

2、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。

代码示例：
产生多态

class A
{
public:
	virtual void fn(){ cout << "A::fn" << endl;}
};
class B:public A
{
public:
	virtual void fn(){ cout << "B::fn" << endl;}
};

class C:public A
{
public:
	void fn(){ cout << "C::fn" << endl;}
};

void test2(A &aa)//引用，传本身
{
	aa.fn();
}

void test3(A *p)//指针
{
	p->fn();
}


void main()
{
	A a;
	B b;
	C c;
	a.fn();//编译时就知道这是a的fn(),为静态联编
	b.fn();//编译时就知道这是b的fn()
	c.fn();
	cout<<endl;

	test2(a);//在程序执行时，才知道到调用谁的fn(),在程序执行时才将函数实现和函数调用关联起来，为动态联编，也称其为多态
	test2(b);
	test2(c);
	cout<<endl;
	
	test3(&a);//在程序执行时，才知道到调用谁的fn(),在程序执行时才将函数实现和函数调用关联起来，为动态联编
	test3(&b);
	test3(&c);
}

在这里插入图片描述

3、不加虚函数，不会产生多态

class A
{
public:
	 void fn(){ cout << "A::fn" << endl;}
};
class B:public A
{
public:
	 void fn(){ cout << "B::fn" << endl;}
};


void test(A aa)
{
	aa.fn();
}

void test2(A &aa)//引用，传本身
{
	aa.fn();
}

void test3(A *p)//指针
{
	p->fn();
}

void main()
{
	A a;
	B b;
	a.fn();//编译时就知道这是a的fn(),为静态联编
	b.fn();//编译时就知道这是b的fn()
	cout<<endl;

	test(a);
	test(b);//编译时就已经确定，test内的fn()是类a内的fn(),在编译时就已经捆绑，为静态联编
	cout<<endl;
	
	test2(a);//在程序执行时，才知道到调用谁的fn(),在程序执行时才将函数实现和函数调用关联起来，为动态联编，也称其为多态
	test2(b);
	cout<<endl;
	
	test3(&a);//在程序执行时，才知道到调用谁的fn(),在程序执行时才将函数实现和函数调用关联起来，为动态联编
	test3(&b);
	
}

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