C++笔记：类与对象(三)-＞多态

多态

虚函数

先来看一段代码：

#include<iostream>
using namespace std;class Animal {
public :void run() {cout << "I don't know how to run" << endl;}
};class Cat : public Animal{
public :void run() {cout << "I can run with four legs" << endl;}
};class Bat : public Animal{
public :void run() {cout << "I can fly" << endl;}
};#define P(func) {\printf("%s : ", #func);\func;\
}int main() {Cat c;//子类的对象可以隐式的转换为父类的类型Animal &a = c;Animal *p = &c;P(c.run());P(a.run());P(p->run());return 0;
}

        a是Animal的引用类行而指向的是c对象，p是Animal的指针类型指向对象c的地址。

那么我们认为的结果应该都是调用Cat类型中的run方法，但是结果却是调用的Animal中的run方法

        那么如何完成我们想要的效果呢，把基类中也就是Animal类中的run()方法变为虚函数，在父类中对应函数前加上virtual关键字，再子类中对应的函数后加上override关键字。

class Animal {
public :virtual void run() {cout << "I don't know how to run" << endl;}
};class Cat : public Animal{
public :void run() override{cout << "I can run with four legs" << endl;}
};class Bat : public Animal{
public :void run() override{cout << "I can fly" << endl;}
};

这样过后执行整个代码，就可以得到我们想要的效果了。

这里对应的知识点：
        普通成员函数是跟着类型的，比开始时，run方法不是虚函数只是普通的成员函数，那么在对应类类型前调用该函数，执行的就是对应类型中的函数方法，那么Animal &a = c，调用的就是Animal中的run方法，Animal *p  = c调用的run方法也是Animal中的run方法。

        虚函数是跟着对象的，比如在对父类中(Animal类)run方法加上virtual关键字之后，让run方法变为了虚函数，而子类中的run方法也变为了虚函数，执行时调用的对应函数就是对象对应的函数。Animal &a = c对应调用就是对象c的类型中的run方法，同理Animal *p  = c调用的run方法也是对象c的类中的run方法。

编译期和运行期

来一段简单的代码理解运行期和编译期

#include<iostream>
using namespace std;int main() {int n;scanf("%d", &n);//只有再代码执行时，读入n//才能知道m具体等于几//所以这是运行期int m = 2 * n;//在读代码时我们就能准确的知道c等于3//所以这是编译期int c = 1 + 2;return 0;
}

理解完后再看下面的代码：


#include<iostream>
using namespace std;class Animal {
public :void say() {cout << " Class Animal" << endl;}
};class Cat : public Animal {
public :void say() {cout << " Class Cat" << endl;}
};class Dog : public Animal {
public :void say() {cout << " Class Dog" << endl;}
};class Bat : public Animal {
public :void say() {cout << " Class Bat" << endl;}
};
int main() {#define MAX_N 10srand(time(0));Animal *arr[MAX_N + 5];for (int i = 0; i < MAX_N; i++) {switch (rand() % 3) {case 0: arr[i] = new Cat(); break;case 1: arr[i] = new Dog(); break;case 2: arr[i] = new Bat(); break;}}for (int i = 0; i < MAX_N; i++) {arr[i]->say();}return 0;
}

        在不运行这段代码，我们都知道最后的结果会是，调用了10次Animal中的say方法，因为指针数组是Animal类型的，并且say方法是普通的成员方法，所以指针数组不管指向什么子类对象都只会调用Animal中的say方法，所以这段代码是编译器的状态。

        执行结果：

那么我们将say方法改为虚函数：

#include<iostream>
using namespace std;class Animal {
public :virtual void say() {cout << " Class Animal" << endl;}
};class Cat : public Animal {
public :void say() override {cout << " Class Cat" << endl;}
};class Dog : public Animal {
public :void say() override {cout << " Class Dog" << endl;}
};class Bat : public Animal {
public :void say() override {cout << " Class Bat" << endl;}
};
int main() {#define MAX_N 10srand(time(0));Animal *arr[MAX_N + 5];for (int i = 0; i < MAX_N; i++) {switch (rand() % 3) {case 0: arr[i] = new Cat(); break;case 1: arr[i] = new Dog(); break;case 2: arr[i] = new Bat(); break;}}for (int i = 0; i < MAX_N; i++) {arr[i]->say();}return 0;
}

        那么现在，输出的结果我们是不确定的了，现在调用的say方法，就应该是每个arr[i]中对应的对象中类型的say方法。所这段代码需要在运行后才知道结果。

        那么执行结果是不确定了，我执行两次的结果可以看一下：

        可以发现是不同的结果，这段代码只有在执行后才能知道结果，这就是运行期。

        那么我们就可以理解图中的解释。

多态程序设计中注意事项 

看下面代码来理解为什么要这样去设计：

#include<iostream>
using namespace std;class Base {
public :Base(){cout << "Base constructor" << endl;}virtual ~Base(){cout << "Base destructor" << endl;}
};class A : public Base {
public :A() : data(new int[0]) {cout << "A constructor" << endl;}~A() override {delete[] data;cout << "A destructor" << endl;}int *data;
};int main() {//这里Base类的指向A类型的对象//如果析构函数不是虚函数//在析构p时，那么会调用Base类的析构函数//而不是调用对象对应的A类中的析构函数//那么就会造成内存泄漏//比如这里data通过A类的构造函数中new关键字获取了内存//而没有通过A类中的析构函数将对应的内存给释放掉Base *p = new A();delete p;return 0;
}

        对应上面这份代码，可以尝试将父类中的析构函数，设置为普通函数，看打印结果，你会发现，它只调用了父类的析构函数没有调用A对象的析构。

纯虚函数

#include<iostream>
using namespace std;namespace test1 {
class Animal{
public :virtual void say() = 0;
};class Cat : public Animal{
public :void say() override {cout << "Class Cat" << endl;}
};class Dog : public Animal{
public :void say() override {cout << "Class Dog" << endl;}
};class Bat : public Animal{
public :void say() override {cout << "Class Bat" << endl;}
};int main() {#define MAX_N 5srand(time(0));Animal *arr[MAX_N + 5];for (int i = 0; i < MAX_N; i++) {switch (rand() % 3) {case 0 : arr[i] = new Dog(); break;case 1 : arr[i] = new Cat(); break;case 2 : arr[i] = new Bat(); break;}}for (int i = 0; i < MAX_N; i++) arr[i]->say();return 0;
}
}/*
namespace test2{
class A {
public :virtual void func() = 0;
};
class B : public A{
public :
};
int main() {B b;return 0;
}
}
*//*
namespace test3{
class A {
public :virtual void func() = 0;
};
class B : public A{
public :void func() override {};
};
int main() {A a;return 0;
}
}
*/int main() {//test1中展示了纯虚函数的使用方法test1::main();//在test2中可以发现B继承A//A中有一个纯虚函数func//而在B中没有重写func在定义B的对象d会发生报错//test2::main();//在test3中因为A类是一个抽象类//所以这个A类不能定义对象//test3::main();return 0;
}

通过抽象类如何去理解接口

假设现在我们实现USB接口，然后USB可以接键盘和鼠标：

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
using namespace std;class USB_interface {
public :virtual string get() = 0;virtual void set(string) = 0;string msg;
};class KeyBoard : public USB_interface {
public :string get() override {return "this messge come from key  board\n";}void set(string msg) {cout << "key borad receive msg : " << msg << endl;}
};
class Mouse : public USB_interface {
public :string get() override {return "mouse dida dida\n";}void set(string msg) {cout << "mouse receive msg" << msg << endl;}
};int main() {srand(time(0));USB_interface *usb[2];int ind = rand() % 2;usb[ind] = new KeyBoard();usb[1 - ind] = new Mouse();for (int i = 0; i < 2; i++) {cout << "USB #" << i << ":" << endl;cout << usb[i]->get() << endl;usb[i]->set("over done!");} return 0;
}

通过执行代码可以发现，USB接口它只是起到连接键盘或者鼠标，而具体的实现功能都在鼠标和键盘里面实现的。可以理解USB接口它里面有一些纯虚函数，而通过USB接口接上的东西他需要重写这些纯虚函数，并且还可以自己定义一些方法，这就是接口的作用。

虚函数的底层原理

来看一段代码：

#include<iostream>
using namespace std;class Base {
public :void say() {cout << "Class Base" << endl;}
};class A : public Base {
public :void say() {cout << "Class A" << endl;}int x;
};class B : public Base {
public :   void say() {cout << "Class B" << endl;}int x;
};int main() {A a;B b;cout << "sizeof(A) :" << sizeof(A) << endl;cout << "sizeof(B) :" << sizeof(B) << endl;return 0;
}

通过执行可以发现，a对象和b对象只有4字节。也就是他们包含的int x的字节大小。

再看下面一段代码，他们中的say方法是虚函数时。

#include<iostream>
using namespace std;class Base {
public :virtual void say() {cout << "Class Base" << endl;}
};class A : public Base {
public :void say() override {cout << "Class A" << endl;}int x;
};class B : public Base {
public :   void say() override {cout << "Class B" << endl;}int x;
};int main() {A a;B b;cout << "sizeof(A) :" << sizeof(A) << endl;cout << "sizeof(B) :" << sizeof(B) << endl;return 0;
}

a和b对象有16个字节了

 

这是为什么，这就要说到虚函数表。

虚函数表：

每个对象如果它的类型有虚函数，那么这个对象对应的存储区通常第一个元素就是一个地址，而这个地址就是指向虚函数表的首地址。

而上面的16字节是怎么算来的，结构体内存对齐

来看下面一段代码：

#include<iostream>
using namespace std;class Base {
public :virtual void say() {cout << "Class Base" << endl;}
};class A : public Base {
public :void say() override {cout << "Class A" << endl;}int x;
};class B : public Base {
public :   void say() override {cout << "Class B" << endl;}int x;
};int main() {A a1, a2;B b;cout << "sizeof(A) :" << sizeof(A) << endl;cout << "sizeof(B) :" << sizeof(B) << endl;//((void **)(&a1))[0]获取a1对象的虚函数表的地址cout << "Class A(a1) virtual function address : " << ((void **)(&a1))[0] << endl;cout << "Class A(a2) virtual function address : " << ((void **)(&a2))[0] << endl;cout << "Class B virtual function address : " << ((void **)(&b))[0] << endl;return 0;
}

执行结果：

可以发现a1和a2的虚函数表地址是相同的，而b的虚函数表的地址和他们不同，那么就可以知道相同类型的虚函数表是相同的，而不同的类型虚函数表是不同的。

来看下面的图：

这样就可以理解为什么虚函数是跟着对象走的。

深入理解this指针:

来看下面一段代码：

#include<iostream>
using namespace std;class Base {
public :virtual void say(int x) {cout << this << endl;cout << "Class Base : " << x << endl;}
};class A : public Base {
public :void say(int x) override {cout << this << endl;cout << "Class A : " << x << endl;}int x;
};class B : public Base {
public :   void say(int x) override {cout << this << endl;cout << "Class B : " << x << endl;}int x;
};typedef void (*func_t)(int);int main() {A a1, a2;B b;Base *p1 = &a1, *p2 = &a2, *p3 = &b;cout << "sizeof(A) :" << sizeof(A) << endl;cout << "sizeof(B) :" << sizeof(B) << endl;//((void **)(&a1))[0]获取a1对象的虚函数表的地址cout << "Class A(a1) virtual function address : " << ((void **)(&a1))[0] << endl;cout << "Class A(a2) virtual function address : " << ((void **)(&a2))[0] << endl;cout << "Class B virtual function address : " << ((void **)(&b))[0] << endl;p1->say(1);cout << "================" << endl;p2->say(2);cout << "================" << endl;p3->say(3);cout << "================" << endl;//通过原生指针调用say()方法((func_t **)(&a2))[0][0](97);return 0;
}

执行结果：

        对于p1,p2,p3调用没有任何问题，都是准确调用传参，但是到了通过原生指针调用a2中的虚函数表的第一个函数也就是say方法，然后传入参数是97为什么输出的x的值是0，而this指针的值变为了16进制的61，转换为10进制的就是97，为什么this指针的值被赋值为97了。

       也就是当前say方法实际是这样的：

void say(A *this, int x) override {...}

        所以在使用C语言原生指针调用成员方法时是需要将this指针当作参数传入的，那么如和正确调用该函数呢，如下：

    //修改处//void *任何类型的指针typedef void (*func_t)(void *, int);//修改处使用原生指针调用say方法处((func_t **)(&a2))[0][0](&a2, 97);

        那么最终的执行结果就是和我们想要的结果是一样的：

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