C/C++ – 类的多态机制

多态的触发机制
- 在C++中，多态通过基类的指针或引用来触发。
- 当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会在运行时确定实际对象的类型，并调用相应的函数。
- 这种动态绑定的决策是通过虚函数表（vtable）来实现的。
虚函数
- 虚函数是在基类中声明的带有virtual关键字的成员函数。
- 虚函数通过动态绑定来实现多态，它可以在派生类中被重写。
- 当通过基类的指针或引用调用虚函数时，实际调用的是指向或引用的对象的类型的版本。

代码示例

#include <iostream>

class Animal {
public:
    virtual void MakeSound() {
        std::cout << "Animal makes a sound." << std::endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    void MakeSound() override {
        std::cout << "Dog barks." << std::endl;
    }
};

class Cat : public Animal {
public:
    void MakeSound() override {
        std::cout << "Cat meows." << std::endl;
    }
};

int main() {
    Animal* animalPtr;
    Dog dog;
    Cat cat;

    animalPtr = &dog;
    animalPtr->MakeSound();  // 输出: Dog barks.

    animalPtr = &cat;
    animalPtr->MakeSound();  // 输出: Cat meows.

    return 0;
}

虚函数表
- 虚函数表是用于实现多态的关键机制之一。
- 每个包含虚函数的类都有一个虚函数表，其中存储了虚函数的地址。
- 每个对象都有一个指向其类的虚函数表的指针（通常称为虚函数指针或vptr）。
- 当调用虚函数时，程序会根据对象的虚函数指针找到相应的虚函数表，并使用表中的地址调用正确的函数。

虚析构函

如果一个基类的析构函数是虚函数，那么派生类的析构函数也会自动成为虚函数。
虚析构函数声明
- 虚析构函数是在基类中声明的带有virtual关键字的析构函数。
- virtual ~ClassName();
虚析构函数的作用
- 当通过基类指针删除派生类对象时，如果基类的析构函数是虚函数，则会根据实际对象的类型调用相应的析构函数。
- 这样可以确保正确释放派生类对象所占用的资源，避免内存泄漏。
- 虚析构函数只需要在基类中声明，派生类的析构函数会自动成为虚函数。
- 虚析构函数应该是公有的（public），以便在派生类中可以正确访问和重写。

代码示例

假设我们有一个图形库，其中包含多个图形类，如矩形（Rectangle）、圆形（Circle）。我们希望能够存储这些图形对象，并能够对它们执行各种操作，比如计算总面积、打印每个图形的属性等。

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

class Shape {
public:
    virtual double getArea() const = 0;
    virtual void printInfo() const = 0;
    virtual ~Shape() {}
};

class Rectangle : public Shape {
private:
    double length;
    double width;

public:
    Rectangle(double length, double width) : length(length), width(width) {}

    double getArea() const override {
        return length * width;
    }

    void printInfo() const override {
        cout << "矩形，长：" << length << "，宽：" << width << endl;
    }

    ~Rectangle() {
        cout << "销毁矩形对象" << endl;
    }
};

class Circle : public Shape {
private:
    double radius;

public:
    Circle(double radius) : radius(radius) {}

    double getArea() const override {
        return 3.14159 * radius * radius;
    }

    void printInfo() const override {
        cout << "圆形，半径：" << radius << endl;
    }

    ~Circle() {
        cout << "销毁圆形对象" << endl;
    }
};

int main() {
    vector<Shape*> shapes;
    shapes.push_back(new Rectangle(5.0, 3.0));
    shapes.push_back(new Circle(4.0));

    double totalArea = 0.0;
    for (const auto& shape : shapes) {
        shape->printInfo();
        totalArea += shape->getArea();
    }

    cout << "总面积：" << totalArea << endl;

    for (const auto& shape : shapes) {
        delete shape;
    }

    return 0;
}

纯虚函数
- 纯虚函数的声明
  - 纯虚函数是通过在基类中声明一个没有实际实现的虚函数来定义的。
  - virtual ReturnType functionName() = 0;
- 纯虚函数的作用
  - 纯虚函数为基类提供接口，要求派生类实现该函数。
  - 派生类必须提供对纯虚函数的定义，以便成为具体类。
  - 纯虚函数使得基类成为抽象类，无法实例化对象。
- 抽象类
  - 抽象类包含至少一个纯虚函数。
  - 抽象类无法实例化对象，只能用作基类。
  - 抽象类可以包含非纯虚函数，这些函数可以有实际的实现。
  - 抽象类定义了一组接口和基本行为，要求派生类实现纯虚函数。
- 代码示例
```
#include <iostream>

class AbstractClass {
public:
    virtual void PureVirtualFunction() = 0;  // 纯虚函数

    void NonPureVirtualFunction() {
        std::cout << "Non-pure virtual function" << std::endl;
    }
};

class ConcreteClass : public AbstractClass {
public:
    void PureVirtualFunction() override {
        std::cout << "Pure virtual function implementation" << std::endl;
    }
};

int main() {
    // AbstractClass abstractObj;  // 错误，无法实例化抽象类对象

    ConcreteClass concreteObj;
    concreteObj.PureVirtualFunction();
    concreteObj.NonPureVirtualFunction();

    AbstractClass* abstractPtr;
    abstractPtr = &concreteObj;
    abstractPtr->PureVirtualFunction();
    abstractPtr->NonPureVirtualFunction();

    return 0;
}
```
- 抽象类不能实例化对象，只能用作基类。
- 派生类必须实现纯虚函数才能成为具体类。
- 如果派生类没有实现纯虚函数，它仍然被视为抽象类，无法实例化对象。
- 抽象类可以包含非纯虚函数，但纯虚函数必须在派生类中实现。
- 纯虚函数可以具有实现，但通常没有实际实现，只是提供一个接口。

多态原理

虚函数表 & 虚函数指针
- ```
#include <iostream>

class Base
{
public:
	int a = 1;

	virtual void Fun1()
	{

	}
};

class Son : public Base
{
public:
	int a = 1;

	virtual void Fun1()
	{

	}
};


int main()
{
	Base b;
	Son s;

	return 0;
}
```
- 定义一个空的类，写一个虚函数，观察期内存大小？
  - 类中仅有一个虚函数时类的内存大小为4Byte
  - - 虚函数指针 – virtual function ptr(类对象前4Byte)
    - virtual function ptr – 虚函数表
    - FunAddr
    - 内存布局

继承机制下的虚函数表

#include <iostream>
#include <Windows.h>

class Base1
{
public:
	virtual void Fun1(){}
};

class Base2
{
public:
	virtual void Fun2() {}
};

class Son : public Base1, public Base2
{
public:
	virtual void Fun1() {}
	virtual void Fun2() {}
};

int main()
{
	//虚函数表
	Son obj;
	std::cout << std::hex << *(PDWORD)((PCHAR)(&obj) + 0) << std::endl;
	std::cout << std::hex << *(PDWORD)((PCHAR)(&obj) + 4) << std::endl;

	return 0;
}

动态绑定

示例1

代码

#include <iostream>

class Animal {
public:
    virtual void MakeSound() {
        std::cout << "Animal makes a sound." << std::endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    void MakeSound() override {
        std::cout << "Dog barks." << std::endl;
    }
};

class Cat : public Animal {
public:
    void MakeSound() override {
        std::cout << "Cat meows." << std::endl;
    }
};

int main() {
    Animal* animalPtr;
    Dog dog;
    Cat cat;

    animalPtr = &dog;
    animalPtr->MakeSound();  // 输出: Dog barks.

    animalPtr = &cat;
    animalPtr->MakeSound();  // 输出: Cat meows.

    return 0;
}

图解
- 对象地址
- 获取对象地址
- 指向函数

示例2

代码

#include <iostream>
#include <Windows.h>

class Base1
{
public:
	virtual void Fun1() {}
};

class Base2
{
public:
	virtual void Fun2() {}
};

class Son : public Base1, public Base2
{
public:
	virtual void Fun1() {}
	virtual void Fun2() {}
};

int main()
{
	Base1* pBase1;
	Base2* pBase2;
	Son obj;

	pBase1 = &obj;
	pBase2 = &obj;

	pBase1->Fun1();
	pBase2->Fun2();

	return 0;
}