虛函數(shù)和多態(tài)

01 虛函數(shù)

virtualvirtualclass Base { virtual int Fun() ; // 虛函數(shù)};int Base::Fun() // virtual 字段不用在函數(shù)體時(shí)定義{ }

02 多態(tài)的表現(xiàn)形式一

「派生類的指針」可以賦給「基類指針」；

通過(guò)基類指針調(diào)用基類和派生類中的同名「虛函數(shù)」時(shí):若該指針指向一個(gè)基類的對(duì)象，那么被調(diào)用是基類的虛函數(shù)；若該指針指向一個(gè)派生類的對(duì)象，那么被調(diào)用的是派生類的虛函數(shù)。

這種機(jī)制就叫做“多態(tài)”，說(shuō)白點(diǎn)就是調(diào)用哪個(gè)虛函數(shù)，取決于指針對(duì)象指向哪種類型的對(duì)象。

// 基類class CFather {public: virtual void Fun() { } // 虛函數(shù)};// 派生類class CSon : public CFather { public : virtual void Fun() { }};int main() { CSon son; CFather *p = &son; p->Fun(); //調(diào)用哪個(gè)虛函數(shù)取決于 p 指向哪種類型的對(duì)象 return 0;}

上例子中的 p 指針對(duì)象指向的是 CSon 類對(duì)象，所以 p->Fun() 調(diào)用的是 CSon 類里的 Fun 成員函數(shù)。

03 多態(tài)的表現(xiàn)形式二

派生類的對(duì)象可以賦給基類「引用」

通過(guò)基類引用調(diào)用基類和派生類中的同名「虛函數(shù)」時(shí):若該引用引用的是一個(gè)基類的對(duì)象，那么被調(diào)用是基類的虛函數(shù)；若該引用引用的是一個(gè)派生類的對(duì)象，那么被調(diào)用的是派生類的虛函數(shù)。

這種機(jī)制也叫做“多態(tài)”，說(shuō)白點(diǎn)就是調(diào)用哪個(gè)虛函數(shù)，取決于引用的對(duì)象是哪種類型的對(duì)象。

// 基類class CFather {public: virtual void Fun() { } // 虛函數(shù)};// 派生類class CSon : public CFather { public : virtual void Fun() { }};int main() { CSon son; CFather &r = son; r.Fun(); //調(diào)用哪個(gè)虛函數(shù)取決于 r 引用哪種類型的對(duì)象 return 0;}}

上例子中的 r 引用的對(duì)象是 CSon 類對(duì)象，所以 r.Fun() 調(diào)用的是 CSon 類里的 Fun 成員函數(shù)。

04 多態(tài)的簡(jiǎn)單示例

class A {public : virtual void Print() { cout << "A::Print"<

A類、B類、E類、D類的關(guān)系如下圖：

int main() { A a; B b; E e; D d; A * pa = &a; B * pb = &b; D * pd = &d; E * pe = &e; pa->Print(); // a.Print()被調(diào)用，輸出：A::Print pa = pb; pa -> Print(); // b.Print()被調(diào)用，輸出：B::Print pa = pd; pa -> Print(); // d.Print()被調(diào)用，輸出：D::Print pa = pe; pa -> Print(); // e.Print()被調(diào)用，輸出：E::Print return 0;}

05 多態(tài)作用

在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中使用「多態(tài)」，能夠增強(qiáng)程序的可擴(kuò)充性，即程序需要修改或增加功能的時(shí)候，需要改動(dòng)和增加的代碼較少。

LOL 英雄聯(lián)盟游戲例子

下面我們用設(shè)計(jì) LOL 英雄聯(lián)盟游戲的英雄的例子，說(shuō)明多態(tài)為什么可以在修改或增加功能的時(shí)候，可以較少的改動(dòng)代碼。

LOL 英雄聯(lián)盟是 5v5 競(jìng)技游戲，游戲中有很多英雄，每種英雄都有一個(gè)「類」與之對(duì)應(yīng)，每個(gè)英雄就是一個(gè)「對(duì)象」。

英雄之間能夠互相攻擊，攻擊敵人和被攻擊時(shí)都有相應(yīng)的動(dòng)作，動(dòng)作是通過(guò)對(duì)象的成員函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

下面挑了五個(gè)英雄：

探險(xiǎn)家 CEzreal

蓋樓 CGaren

盲僧 CLeesin

無(wú)極劍圣 CYi

瑞茲 CRyze

基本思路：

為每個(gè)英雄類編寫 Attack 、 FightBack 和 Hurted 成員函數(shù)。

AttackFightBackHurted

設(shè)置基類 CHero ，每個(gè)英雄類都繼承此基類

02 非多態(tài)的實(shí)現(xiàn)方法

// 基類class CHero {protected: int m_nPower ; //代表攻擊力 int m_nLifeValue ; //代表生命值};// 無(wú)極劍圣類class CYi : public CHero {public: // 攻擊蓋倫的攻擊函數(shù) void Attack(CGaren * pGaren) { .... // 表現(xiàn)攻擊動(dòng)作的代碼 pGaren->Hurted(m_nPower); pGaren->FightBack(this); } // 攻擊瑞茲的攻擊函數(shù) void Attack(CRyze * pRyze) { .... // 表現(xiàn)攻擊動(dòng)作的代碼 pRyze->Hurted(m_nPower); pRyze->FightBack( this); } // 減少自身生命值 void Hurted(int nPower) { ... // 表現(xiàn)受傷動(dòng)作的代碼 m_nLifeValue -= nPower; } // 反擊蓋倫的反擊函數(shù) void FightBack(CGaren * pGaren) { ...．// 表現(xiàn)反擊動(dòng)作的代碼 pGaren->Hurted(m_nPower/2); } // 反擊瑞茲的反擊函數(shù) void FightBack(CRyze * pRyze) { ...．// 表現(xiàn)反擊動(dòng)作的代碼 pRyze->Hurted(m_nPower/2); }};

有 n 種英雄， CYi 類中就會(huì)有 n 個(gè) Attack 成員函數(shù)，以及 n 個(gè) FightBack成員函數(shù)。對(duì)于其他類也如此。

如果游戲版本升級(jí)，增加了新的英雄寒冰艾希 CAshe ，則程序改動(dòng)較大。所有的類都需要增加兩個(gè)成員函數(shù):

void Attack(CAshe * pAshe);void FightBack(CAshe * pAshe);

這樣工作量是非常大的?。》浅５牟蝗诵?，所以這種設(shè)計(jì)方式是非常的不好！

03 多態(tài)的實(shí)現(xiàn)方式

用多態(tài)的方式去實(shí)現(xiàn)，就能得知多態(tài)的優(yōu)勢(shì)了，那么上面的栗子改成多態(tài)的方式如下：

// 基類class CHero {public: virtual void Attack(CHero *pHero){} virtual voidFightBack(CHero *pHero){} virtual void Hurted(int nPower){}protected: int m_nPower ; //代表攻擊力 int m_nLifeValue ; //代表生命值};// 派生類 CYi:class CYi : public CHero {public: // 攻擊函數(shù) void Attack(CHero * pHero) { .... // 表現(xiàn)攻擊動(dòng)作的代碼 pHero->Hurted(m_nPower); // 多態(tài) pHero->FightBack(this); // 多態(tài) } // 減少自身生命值 void Hurted(int nPower) { ... // 表現(xiàn)受傷動(dòng)作的代碼 m_nLifeValue -= nPower; } // 反擊函數(shù) void FightBack(CHero * pHero) { ...．// 表現(xiàn)反擊動(dòng)作的代碼 pHero->Hurted(m_nPower/2); // 多態(tài) }};

如果增加了新的英雄寒冰艾希 CAshe ，只需要編寫新類 CAshe ，不再需要在已有的類里專門為新英雄增加：

void Attack( CAshe * pAshe) ;void FightBack(CAshe * pAshe) ;

所以已有的類可以原封不動(dòng)，那么使用多態(tài)的特性新增英雄的時(shí)候，可見(jiàn)改動(dòng)量是非常少的。

多態(tài)使用方式：

void CYi::Attack(CHero * pHero) { pHero->Hurted(m_nPower); // 多態(tài) pHero->FightBack(this); // 多態(tài)}CYi yi; CGaren garen; CLeesin leesin; CEzreal ezreal;yi.Attack( &garen ); //(1)yi.Attack( &leesin ); //(2)yi.Attack( &ezreal ); //(3)

根據(jù)多態(tài)的規(guī)則，上面的(1)，(2)，(3)進(jìn)入到 CYi::Attack 函數(shù)后

，分別調(diào)用：

CGaren::HurtedCLeesin::HurtedCEzreal::Hurted

多態(tài)的又一例子

出一道題考考大家，看大家是否理解到了多態(tài)的特性，下面的代碼， pBase->fun1() 輸出結(jié)果是什么呢？

class Base {public: void fun1() { fun2(); } virtual void fun2() // 虛函數(shù) { cout << "Base::fun2()" << endl; }};class Derived : public Base {public: virtual void fun2() // 虛函數(shù) { cout << "Derived:fun2()" << endl; }};int main() { Derived d; Base * pBase = & d; pBase->fun1(); return 0;}

是不是大家覺(jué)得 pBase 指針對(duì)象雖然指向的是派生類對(duì)象，但是派生類里沒(méi)有 fun1 成員函數(shù)，則就調(diào)用基類的 fun1 成員函數(shù)， Base::fun1() 里又會(huì)調(diào)用基類的 fun2 成員函數(shù)，所以輸出結(jié)果是 Base::fun2() ？

假設(shè)我把上面的代碼轉(zhuǎn)換一下， 大家還覺(jué)得輸出的是 Base::fun2() 嗎？

class Base {public: void fun1() { this->fun2(); // this是基類指針，fun2是虛函數(shù)，所以是多態(tài) }}

this 指針的作用就是指向成員函數(shù)所作用的對(duì)象， 所以非靜態(tài)成員函數(shù)中可以直接使用 this 來(lái)代表指向該函數(shù)作用的對(duì)象的指針。

pBase 指針對(duì)象指向的是派生類對(duì)象，派生類里沒(méi)有 fun1 成員函數(shù)，所以就會(huì)調(diào)用基類的 fun1 成員函數(shù)，在 Base::fun1() 成員函數(shù)體里執(zhí)行 this->fun2() 時(shí)，實(shí)際上指向的是派生類對(duì)象的 fun2 成員函數(shù)。

所以正確的輸出結(jié)果是：

Derived:fun2()

所以我們需要注意：

在非構(gòu)造函數(shù)，非析構(gòu)函數(shù)的成員函數(shù)中調(diào)用「虛函數(shù)」，是多態(tài)!!!

構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)中存在多態(tài)嗎？

在構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)中調(diào)用「虛函數(shù)」，不是多態(tài)。編譯時(shí)即可確定，調(diào)用的函數(shù)是自己的類或基類中定義的函數(shù)，不會(huì)等到運(yùn)行時(shí)才決定調(diào)用自己的還是派生類的函數(shù)。

我們看如下的代碼例子，來(lái)說(shuō)明：

// 基類class CFather {public: virtual void hello() // 虛函數(shù) { cout<<"hello from father"<hello(); //多態(tài) return 0;}

輸出結(jié)果：

hello from son // 構(gòu)造son對(duì)象時(shí)執(zhí)行的構(gòu)造函數(shù)hello from son // 多態(tài)bye from father // son對(duì)象析構(gòu)時(shí)，由于CSon類沒(méi)有bye成員函數(shù)，所以調(diào)用了基類的bye成員函數(shù)

多態(tài)的實(shí)現(xiàn)原理

「多態(tài)」的關(guān)鍵在于通過(guò)基類指針或引用調(diào)用一個(gè)虛函數(shù)時(shí)，編譯時(shí)不能確定到底調(diào)用的是基類還是派生類的函數(shù)，運(yùn)行時(shí)才能確定。

我們用 sizeof 來(lái)運(yùn)算有有虛函數(shù)的類和沒(méi)虛函數(shù)的類的大小，會(huì)是什么結(jié)果呢？

class A {public: int i; virtual void Print() { } // 虛函數(shù)};class B{public: int n; void Print() { } };int main() { cout << sizeof(A) << ","<< sizeof(B); return 0;}

在64位機(jī)子，執(zhí)行的結(jié)果：

16,4

從上面的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)有虛函數(shù)的類，多出了 8 個(gè)字節(jié)，在 64 位機(jī)子上指針類型大小正好是 8 個(gè)字節(jié)，這多出 8 個(gè)字節(jié)的指針有什么作用呢？

01 虛函數(shù)表

每一個(gè)有「虛函數(shù)」的類（或有虛函數(shù)的類的派生類）都有一個(gè)「虛函數(shù)表」，該類的任何對(duì)象中都放著虛函數(shù)表的指針。「虛函數(shù)表」中列出了該類的「虛函數(shù)」地址。

多出來(lái)的 8 個(gè)字節(jié)就是用來(lái)放「虛函數(shù)表」的地址。

// 基類class Base {public: int i; virtual void Print() { } // 虛函數(shù)};// 派生類class Derived : public Base{public: int n; virtual void Print() { } // 虛函數(shù)};

上面 Derived 類繼承了 Base類，兩個(gè)類都有「虛函數(shù)」，那么它「虛函數(shù)表」的形式可以理解成下圖：

多態(tài)的函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句被編譯成一系列根據(jù)基類指針?biāo)赶虻模ɑ蚧愐盟玫模?duì)象中存放的虛函數(shù)表的地址，在虛函數(shù)表中查找虛函數(shù)地址，并調(diào)用虛函數(shù)的指令。

02 證明虛函數(shù)表指針的作用

在上面我們用 sizeof 運(yùn)算符計(jì)算了有虛函數(shù)的類的大小，發(fā)現(xiàn)是多出了 8 字節(jié)大?。?4位系統(tǒng)），這多出來(lái)的 8 個(gè)字節(jié)就是指向「虛函數(shù)表的指針」?！柑摵瘮?shù)表」中列出了該類的「虛函數(shù)」地址。

下面用代碼的例子，來(lái)證明「虛函數(shù)表指針」的作用：

// 基類class A {public: virtual void Func() // 虛函數(shù) { cout << "A::Func" << endl; }};// 派生類class B : public A {public: virtual void Func() // 虛函數(shù) { cout << "B::Func" << endl; }};int main() { A a; A * pa = new B(); pa->Func(); // 多態(tài) // 64位程序指針為8字節(jié) int * p1 = (int *) & a; int * p2 = (int *) pa; * p2 = * p1; pa->Func(); return 0;}

輸出結(jié)果：

B::FuncA::Func

第 25-26 行代碼中的 pa 指針指向的是 B 類對(duì)象，所以 pa->Func() 調(diào)用的是 B 類對(duì)象的虛函數(shù) Func() ，輸出內(nèi)容是 B::Func ；

第 29-30 行代碼的目的是把 A 類的頭 8 個(gè)字節(jié)的「虛函數(shù)表指針」存放到 p1 指針和把 B 類的頭 8 個(gè)字節(jié)的「虛函數(shù)表指針」存放到 p2 指針；

第 32 行代碼目的是把 A 類的「虛函數(shù)表指針」 賦值給 B 類的「虛函數(shù)表指針」，所以相當(dāng)于把 B 類的「虛函數(shù)表指針」 替換 成了 A 類的「虛函數(shù)表指針」；

由于第 32 行的作用，把 B 類的「虛函數(shù)表指針」 替換 成了 A 類的「虛函數(shù)表指針」，所以第 33 行調(diào)用的是 A 類的虛函數(shù) Func() ，輸出內(nèi)容是 A::Func

通過(guò)上述的代碼和講解，可以有效的證明了「虛函數(shù)表的指針」的作用，「虛函數(shù)表的指針」指向的是「虛函數(shù)表」，「虛函數(shù)表」里存放的是類里的「虛函數(shù)」地址，那么在調(diào)用過(guò)程中，就能實(shí)現(xiàn)多態(tài)的特性。

虛析構(gòu)函數(shù)

析構(gòu)函數(shù)是在刪除對(duì)象或退出程序的時(shí)候，自動(dòng)調(diào)用的函數(shù)，其目的是做一些資源釋放。

那么在多態(tài)的情景下，通過(guò)基類的指針刪除派生類對(duì)象時(shí)，通常情況下只調(diào)用基類的析構(gòu)函數(shù)，這就會(huì)存在派生類對(duì)象的析構(gòu)函數(shù)沒(méi)有調(diào)用到，存在資源泄露的情況。

看如下的例子：

// 基類class A {public: A() // 構(gòu)造函數(shù) { cout << "construct A" << endl; } ~A() // 析構(gòu)函數(shù) { cout << "Destructor A" << endl; }};// 派生類class B : public A {public: B() // 構(gòu)造函數(shù) { cout << "construct B" << endl; } ~B()// 析構(gòu)函數(shù) { cout << "Destructor B" << endl; }};int main() { A *pa = new B(); delete pa; return 0;}

輸出結(jié)果：

construct Aconstruct BDestructor A

從上面的輸出結(jié)果可以看到，在刪除 pa 指針對(duì)象時(shí)， B 類的析構(gòu)函數(shù)沒(méi)有被調(diào)用。

解決辦法：把基類的析構(gòu)函數(shù)聲明為virtual

派生類的析構(gòu)函數(shù)可以 virtual 不進(jìn)行聲明；

通過(guò)基類的指針刪除派生類對(duì)象時(shí)，首先調(diào)用派生類的析構(gòu)函數(shù)，然后調(diào)用基類的析構(gòu)函數(shù)，還是遵循「先構(gòu)造，后虛構(gòu)」的規(guī)則。

將上述的代碼中的基類的析構(gòu)函數(shù)，定義成「虛析構(gòu)函數(shù)」：

// 基類class A {public: A() { cout << "construct A" << endl; } virtual ~A() // 虛析構(gòu)函數(shù) { cout << "Destructor A" << endl; }};

輸出結(jié)果：

construct Aconstruct BDestructor BDestructor A

所以要養(yǎng)成好習(xí)慣:

一個(gè)類如果定義了虛函數(shù)，則應(yīng)該將析構(gòu)函數(shù)也定義成虛函數(shù);

或者，一個(gè)類打算作為基類使用，也應(yīng)該將析構(gòu)函數(shù)定義成虛函數(shù)。

注意：不允許構(gòu)造函數(shù)不能定義成虛構(gòu)造函數(shù)。

純虛函數(shù)和抽象類

純虛函數(shù)： 沒(méi)有函數(shù)體的虛函數(shù)

class A {public: virtual void Print( ) = 0 ; //純虛函數(shù)private: int a;};

包含純虛函數(shù)的類叫抽象類

抽象類只能作為基類來(lái)派生新類使用，不能創(chuàng)建抽象類的對(duì)象

抽象類的指針和引用可以指向由抽象類派生出來(lái)的類的對(duì)象

A a; // 錯(cuò)，A 是抽象類，不能創(chuàng)建對(duì)象A * pa ; // ok,可以定義抽象類的指針和引用pa = new A ; // 錯(cuò)誤, A 是抽象類，不能創(chuàng)建對(duì)象