虚函数和多态
virtualvirtual
class Base { virtual int Fun() ; // 虚函数};int Base::Fun() // virtual 字段不用在函数体时定义{ }
这种机制就叫做“多态”,说白点就是 调用哪个虚函数,取决于指针对象指向哪种类型的对象 。
// 基类class CFather {public: virtual void Fun() { } // 虚函数};// 派生类class CSon : public CFather { public : virtual void Fun() { }};int main() { CSon son; CFather *p = &son; p->Fun(); //调用哪个虚函数取决于 p 指向哪种类型的对象 return 0;}
上例子中的 p 指针对象指向的是 CSon 类对象,所以 p->Fun() 调用的是 CSon 类里的 Fun 成员函数。
这种机制也叫做“多态”,说白点就是 调用哪个虚函数,取决于引用的对象是哪种类型的对象 。
// 基类class CFather {public: virtual void Fun() { } // 虚函数};// 派生类class CSon : public CFather { public : virtual void Fun() { }};int main() { CSon son; CFather &r = son; r.Fun(); //调用哪个虚函数取决于 r 引用哪种类型的对象 return 0;}}
上例子中的 r 引用的对象是 CSon 类对象,所以 r.Fun() 调用的是 CSon 类里的 Fun 成员函数。
class A {public : virtual void Print() { cout << "A::Print"<<endl ; }};// 继承A类class B: public A {public : virtual void Print() { cout << "B::Print" <<endl; }};// 继承A类class D: public A {public: virtual void Print() { cout << "D::Print" << endl ; }};// 继承B类class E: public B { virtual void Print() { cout << "E::Print" << endl ; }};
A类、B类、E类、D类的关系如下图:
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()被调用,输出:A::Print pa = pb; pa -> Print(); // b.Print()被调用,输出:B::Print pa = pd; pa -> Print(); // d.Print()被调用,输出:D::Print pa = pe; pa -> Print(); // e.Print()被调用,输出:E::Print return 0;}
在面向对象的程序设计中使用「多态」,能够增强程序的 可扩充性 ,即程序需要修改或增加功能的时候,需要 改动和增加的代码较少 。
下面我们用设计 LOL 英雄联盟游戏的英雄的例子,说明多态为什么可以在修改或增加功能的时候,可以较少的改动代码。
LOL 英雄联盟是 5v5 竞技游戏,游戏中有很多英雄,每种英雄都有一个「类」与之对应,每个英雄就是一个「对象」。
英雄之间能够互相攻击,攻击敌人和被攻击时都有相应的动作,动作是通过对象的成员函数实现的。
下面挑了五个英雄:
基本思路:
AttackFightBackHurted
// 基类class CHero {protected: int m_nPower ; //代表攻击力 int m_nLifeValue ; //代表生命值};// 无极剑圣类class CYi : public CHero {public: // 攻击盖伦的攻击函数 void Attack(CGaren * pGaren) { .... // 表现攻击动作的代码 pGaren->Hurted(m_nPower); pGaren->FightBack(this); } // 攻击瑞兹的攻击函数 void Attack(CRyze * pRyze) { .... // 表现攻击动作的代码 pRyze->Hurted(m_nPower); pRyze->FightBack( this); } // 减少自身生命值 void Hurted(int nPower) { ... // 表现受伤动作的代码 m_nLifeValue -= nPower; } // 反击盖伦的反击函数 void FightBack(CGaren * pGaren) { ....// 表现反击动作的代码 pGaren->Hurted(m_nPower/2); } // 反击瑞兹的反击函数 void FightBack(CRyze * pRyze) { ....// 表现反击动作的代码 pRyze->Hurted(m_nPower/2); }};
有 n 种英雄, CYi 类中就会有 n 个 Attack 成员函数,以及 n 个 FightBack成员函数。对于其他类也如此。
如果游戏版本升级,增加了新的英雄寒冰艾希 CAshe ,则程序改动较大。所有的类都需要增加两个成员函数:
void Attack(CAshe * pAshe);void FightBack(CAshe * pAshe);
这样工作量是非常大的!!非常的不人性,所以这种设计方式是非常的不好!
用多态的方式去实现,就能得知多态的优势了,那么上面的栗子改成多态的方式如下:
// 基类class CHero {public: virtual void Attack(CHero *pHero){} virtual voidFightBack(CHero *pHero){} virtual void Hurted(int nPower){}protected: int m_nPower ; //代表攻击力 int m_nLifeValue ; //代表生命值};// 派生类 CYi:class CYi : public CHero {public: // 攻击函数 void Attack(CHero * pHero) { .... // 表现攻击动作的代码 pHero->Hurted(m_nPower); // 多态 pHero->FightBack(this); // 多态 } // 减少自身生命值 void Hurted(int nPower) { ... // 表现受伤动作的代码 m_nLifeValue -= nPower; } // 反击函数 void FightBack(CHero * pHero) { ....// 表现反击动作的代码 pHero->Hurted(m_nPower/2); // 多态 }};
如果增加了新的英雄寒冰艾希 CAshe ,只需要编写新类 CAshe ,不再需要在已有的类里专门为新英雄增加:
void Attack( CAshe * pAshe) ;void FightBack(CAshe * pAshe) ;
所以已有的类可以原封不动,那么使用多态的特性新增英雄的时候,可见改动量是非常少的。
多态使用方式:
void CYi::Attack(CHero * pHero) { pHero->Hurted(m_nPower); // 多态 pHero->FightBack(this); // 多态}CYi yi; CGaren garen; CLeesin leesin; CEzreal ezreal;yi.Attack( &garen ); //(1)yi.Attack( &leesin ); //(2)yi.Attack( &ezreal ); //(3)
根据多态的规则,上面的(1),(2),(3)进入到 CYi::Attack 函数后
,分别调用:
CGaren::HurtedCLeesin::HurtedCEzreal::Hurted
出一道题考考大家,看大家是否理解到了多态的特性,下面的代码, pBase->fun1() 输出结果是什么呢?
class Base {public: void fun1() { fun2(); } virtual void fun2() // 虚函数 { cout << "Base::fun2()" << endl; }};class Derived : public Base {public: virtual void fun2() // 虚函数 { cout << "Derived:fun2()" << endl; }};int main() { Derived d; Base * pBase = & d; pBase->fun1(); return 0;}
是不是大家觉得 pBase 指针对象虽然指向的是派生类对象,但是派生类里没有 fun1 成员函数,则就调用基类的 fun1 成员函数, Base::fun1() 里又会调用基类的 fun2 成员函数,所以输出结果是 Base::fun2() ?
假设我把上面的代码转换一下, 大家还觉得输出的是 Base::fun2() 吗?
class Base {public: void fun1() { this->fun2(); // this是基类指针,fun2是虚函数,所以是多态 }}
this 指针的作用就是指向成员函数所作用的对象, 所以非静态成员函数中可以直接使用 this 来代表指向该函数作用的对象的指针。
pBase 指针对象指向的是派生类对象,派生类里没有 fun1 成员函数,所以就会调用基类的 fun1 成员函数,在 Base::fun1() 成员函数体里执行 this->fun2() 时,实际上指向的是派生类对象的 fun2 成员函数。
所以正确的输出结果是:
Derived:fun2()
所以我们需要注意:
在构造函数和析构函数中调用「虚函数」,不是多态。编译时即可确定,调用的函数是 自己的类或基类 中定义的函数,不会等到运行时才决定调用自己的还是派生类的函数。
我们看如下的代码例子,来说明:
// 基类class CFather {public: virtual void hello() // 虚函数 { cout<<"hello from father"<<endl; } virtual void bye() // 虚函数 { cout<<"bye from father"<<endl; }};// 派生类class CSon : public CFather{ public: CSon() // 构造函数 { hello(); } ~CSon() // 析构函数 { bye(); } virtual void hello() // 虚函数 { cout<<"hello from son"<<endl; }};int main(){ CSon son; CFather *pfather; pfather = & son; pfather->hello(); //多态 return 0;}
输出结果:
hello from son // 构造son对象时执行的构造函数hello from son // 多态bye from father // son对象析构时,由于CSon类没有bye成员函数,所以调用了基类的bye成员函数
「多态」的关键在于通过 基类指针或引用 调用一个 虚函数 时,编译时不能确定到底调用的是基类还是派生类的函数,运行时才能确定。
我们用 sizeof 来运算有有虚函数的类和没虚函数的类的大小,会是什么结果呢?
class A {public: int i; virtual void Print() { } // 虚函数};class B{public: int n; void Print() { } };int main() { cout << sizeof(A) << ","<< sizeof(B); return 0;}
在64位机子,执行的结果:
16,4
从上面的结果,可以发现有虚函数的类,多出了 8 个字节,在 64 位机子上指针类型大小正好是 8 个字节,这多出 8 个字节的指针有什么作用呢?
每一个有「虚函数」的类(或有虚函数的类的派生类)都有一个「虚函数表」,该类的任何对象中都放着 虚函数表的指针 。「虚函数表」中列出了该类的「虚函数」地址。
// 基类class Base {public: int i; virtual void Print() { } // 虚函数};// 派生类class Derived : public Base{public: int n; virtual void Print() { } // 虚函数};
上面 Derived 类继承了 Base类,两个类都有「虚函数」,那么它「虚函数表」的形式可以理解成下图:
多态的函数调用语句被编译成一系列根据基类指针所指向的(或基类引用所引用的)对象中 存放的虚函数表的地址 ,在虚函数表中查找虚函数地址,并调用虚函数的指令。
在上面我们用 sizeof 运算符计算了有虚函数的类的大小,发现是多出了 8 字节大小(64位系统),这多出来的 8 个字节就是指向「虚函数表的指针」。「虚函数表」中列出了该类的「虚函数」地址。
下面用代码的例子,来证明「虚函数表指针」的作用:
// 基类class A {public: virtual void Func() // 虚函数 { cout << "A::Func" << endl; }};// 派生类class B : public A {public: virtual void Func() // 虚函数 { cout << "B::Func" << endl; }};int main() { A a; A * pa = new B(); pa->Func(); // 多态 // 64位程序指针为8字节 int * p1 = (int *) & a; int * p2 = (int *) pa; * p2 = * p1; pa->Func(); return 0;}
输出结果:
B::FuncA::Func
通过上述的代码和讲解,可以有效的证明了「虚函数表的指针」的作用,「虚函数表的指针」指向的是「虚函数表」,「虚函数表」里存放的是类里的「虚函数」地址,那么在调用过程中,就能实现多态的特性。
析构函数是在删除对象或退出程序的时候,自动调用的函数,其目的是做一些资源释放。
那么在多态的情景下,通过基类的指针删除派生类对象时,通常情况下只调用基类的析构函数,这就会存在派生类对象的析构函数没有调用到,存在资源泄露的情况。
看如下的例子:
// 基类class A {public: A() // 构造函数 { cout << "construct A" << endl; } ~A() // 析构函数 { cout << "Destructor A" << endl; }};// 派生类class B : public A {public: B() // 构造函数 { cout << "construct B" << endl; } ~B()// 析构函数 { cout << "Destructor B" << endl; }};int main() { A *pa = new B(); delete pa; return 0;}
输出结果:
construct Aconstruct BDestructor A
从上面的输出结果可以看到,在删除 pa 指针对象时, B 类的析构函数没有被调用。
将上述的代码中的基类的析构函数,定义成「虚析构函数」:
// 基类class A {public: A() { cout << "construct A" << endl; } virtual ~A() // 虚析构函数 { cout << "Destructor A" << endl; }};
输出结果:
construct Aconstruct BDestructor BDestructor A
所以要养成好习惯:
纯虚函数: 没有函数体的虚函数
class A {public: virtual void Print( ) = 0 ; //纯虚函数private: int a;};
包含纯虚函数的类叫抽象类
A a; // 错,A 是抽象类,不能创建对象A * pa ; // ok,可以定义抽象类的指针和引用pa = new A ; // 错误, A 是抽象类,不能创建对象