C++多态实现与继承

面向对象的三个基本特征

　　面向对象的三个基本特征是：封装、继承、多态。其中，

　　　　封装可以隐藏实现细节，使得代码模块化；

　　　　继承可以扩展已存在的代码模块（类），它们的目的都是为了——代码重用；

　　　　而多态则是为了实现另一个目的——接口重用！

继承

　　继承是指这样一种能力：它可以使用现有类的所有功能，并在无需重新编写原来的类的情况下对这些功能进行扩展。其继承的过程，就是从一般到特殊的过程。

　　通过继承创建的新类称为“子类”或“派生类”。被继承的类称为“基类”、“父类”或“超类”。要实现继承，可以通过“继承”（Inheritance）和“组合”（Composition）来实现。在某些 OOP 语言中，一个子类可以继承多个基类。但是一般情况下，一个子类只能有一个基类，要实现多重继承，可以通过多级继承来实现。

继承的实现方式？

继承概念的实现方式有三类：实现继承、接口继承和可视继承。

　　1. 实现继承是指使用基类的属性和方法而无需额外编码的能力；

　　2. 接口继承是指仅使用属性和方法的名称、但是子类必须提供实现的能力；

　　3. 可视继承是指子窗体（类）使用基窗体（类）的外观和实现代码的能力。　

多态

　　多态性（polymorphisn）是允许你将父对象设置成为和一个或更多的他的子对象相等的技术，赋值之后，父对象就可以根据当前赋值给它的子对象的特性以不同的方式运作。简单的说，就是一句话：允许将子类类型的指针赋值给父类类型的指针。　

　　实现多态，有二种方式：覆盖、重载。覆盖：是指子类重新定义父类的虚函数的做法。重载：是指允许存在多个同名函数，而这些函数的参数表不同（或许参数个数不同，或许参数类型不同，或许两者都不同）。

　　“重载”是指在同一个类中相同的返回类型和方法名，但是参数的个数和类型可以不同

　　“覆盖重写”是在不同的类中。

　　其实，重载的概念并不属于“面向对象编程”，重载的实现是：编译器根据函数不同的参数表，对同名函数的名称做修饰，然后这些同名函数就成了不同的函数（至少对于编译器来说是这样的）。如，有两个同名函数：function func(p:integer):integer;和function func(p:string):integer;。那么编译器做过修饰后的函数名称可能是这样的：int_func、str_func。对于这两个函数的调用，在编译期间就已经确定了，是静态的（记住：是静态）。也就是说，它们的地址在编译期就绑定了（早绑定），因此，重载和多态无关！真正和多态相关的是“覆盖”。当子类重新定义了父类的虚函数后，父类指针根据赋给它的不同的子类指针，动态（记住：是动态！）的调用属于子类的该函数，这样的函数调用在编译期间是无法确定的（调用的子类的虚函数的地址无法给出）。因此，这样的函数地址是在运行期绑定的（晚邦定）。结论就是：重载只是一种语言特性，与多态无关，与面向对象也无关！引用一句Bruce Eckel的话：“不要犯傻，如果它不是晚邦定，它就不是多态。”

　　c++实现多态的方法

　　面向对象有了一个重要的概念就是对象的实例，对象的实例代表一个具体的对象，故其肯定有一个数据结构保存这实例的数据，这一数据包括对象成员变量，如果对象有虚函数方法或存在虚继承的话，则还有相应的虚函数或虚表指针，其他函数指针不包括。

　　虚函数在c++中的实现机制就是用虚表和虚指针，但是具体是怎样的呢？从more effecive c++其中一篇文章里面可以知道：是每个类用了一个虚表，每个类的对象用了一个虚指针。要讲虚函数机制，必须讲继承，因为只有继承才有虚函数的动态绑定功能，先讲下c++继承对象实例内存分配基础知识：

　　具体的用法如下：

class A
{public:
    virtual void f();
    virtual void g();
private:
    int a
};

class B : public A
{
public:
    void g();
private:
    int b;
};
//A，B的实现省略

　　因为A有virtual void f（），和g（），所以编译器为A类准备了一个虚表vtableA，内容如下：

A::f 的地址

A::g 的地址

　

 

 

 

　　B因为继承了A，所以编译器也为B准备了一个虚表vtableB，内容如下：

A::f 的地址

B::g 的地址

 

 

 

 

　　注意：因为B::ｇ是重写了的，所以B的虚表的g放的是B::g的入口地址，但是f是从上面的A继承下来的，所以f的地址是A::f的入口地址。然后某处有语句 B bb;的时候，编译器分配空间时，除了A的int a，B的成员int b；以外，还分配了一个虚指针vptr，其指向B的虚表vtableB，bb的内存布局如下：

vptr ： 指向B的虚表vtableB

int a： 继承A的成员

int b： B成员

 

 

 

 

 

　　当如下语句的时候：
　　A *pa = &bb;
　　pa的结构就是A的布局（就是说用pa只能访问的到bB对象的前两项，访问不到第三项int b）
　　那么pa->g()中，编译器知道的是，g是一个声明为virtual的成员函数，而且其入口地址放在表格（无论是vtalbeA表还是vtalbeB表）的第2项，那么编译器编译这条语句的时候就如是转换：call *(pa->vptr)[1]（C语言的数组索引从0开始哈~）。
这一项放的是B：：g()的入口地址，则就实现了多态。（注意bb的vptr指向的是B的虚表vtableB）
　　另外要注意的是，如上的实现并不是唯一的，C++标准只要求用这种机制实现多态，至于虚指针vptr到底放在一个对象布局的哪里，标准没有要求，每个编译器自己决定。我以上的结果是根据g++ 4.3.4经过反汇编分析出来的。

两种多态实现机制及其优缺点

　　除了c++的这种多态的实现机制之外，还有另外一种实现机制，也是查表，不过是按名称查表，是smalltalk等语言的实现机制。这两种方法的优缺点如下：
　　(1)、按照绝对位置查表，这种方法由于编译阶段已经做好了索引和表项(如上面的call *(pa->vptr[1]） )，所以运行速度比较快;缺点是：当A的virtual成员比较多（比如1000个），而B重写的成员比较少（比如2个），这种时候，B的vtableＢ的剩下的998个表项都是放Ａ中的virtual成员函数的指针，如果这个派生体系比较大的时候，就浪费了很多的空间。
　　比如：GUI库，以MFC库为例，MFC有很多类，都是一个继承体系；而且很多时候每个类只是1、2个成员函数需要在派生类重写，如果用Ｃ＋＋的虚函数机制，每个类有一个虚表，每个表里面有大量的重复，就会造成空间利用率不高。于是ＭＦＣ的消息映射机制不用虚函数，而用第二种方法来实现多态，那就是：
　　(２)、按照函数名称查表，这种方案可以避免如上的问题；但是由于要比较名称，有时候要遍历所有的继承结构，时间效率性能不是很高。

总结：

　　如果继承体系的基类的virtual成员不多，而且在派生类要重写的部分占了其中的大多数时候，用C++的虚函数机制是比较好的；但是如果继承体系的基类的virtual成员很多，或者是继承体系比较庞大的时候，而且派生类中需要重写的部分比较少，那就用名称查找表，这样效率会高一些，很多的GUI库都是这样的，比如MFC，QT

　　PS 其实，自从计算机出现之后，时间和空间就成了永恒的主题，因为两者在98%的情况下都无法协调，此长彼消；这个就是计算机科学中的根本瓶颈之所在。软件科学和算法的发展，就看能不能突破这对时空权衡了。呵呵

 

 

转自：C++封装、继承、多态