C++-封装、继承、多态

0.目录

  1. 封装(encapsulation)
  2. 继承(Inheritance)
  3. 多态(Polymorphism)

1.封装(encapsulation)

隐藏实现细节,使得代码模块化,实现代码重用。
封装是把过程和数据包围起来,对数据的访问只能通过已定义的界面。面向对象计算始于这个基本概念,即现实世界可以被描绘成一系列完全自治、封装的对象,这些对象通过一个受保护的接口访问其他对象。在面向对象编程上可理解为:把客观事物封装成抽象的类,并且类可以把自己的数据和方法只让可信的类或者对象操作,对不可信的进行信息隐藏。

2.继承(Inheritance)

扩展已经存在的代码模块(类),实现代码重用。
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。
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。

访问权限如下:


3.多态(Polymorphism)

声明基类的指针,利用该指针指向任意一个子类对象,调用相应的虚函数,可以根据指向的子类的不同而实现不同的方法,实现接口重用。

C++ 多态有两种:静态多态(早绑定,编译时多态)、动态多态(晚绑定,运行时多态)。静态多态是通过函数重载(overload)实现的;动态多态是通过虚函数实现的。

注:多态与非多态的实质区别就是函数地址是静态绑定还是动态绑定。如果函数的调用在编译器编译期间就可以确定函数的调用地址,并产生代码,说明地址是静态绑定的;如果函数调用的地址是 需要在运行期间才确定,属于动态绑定。

3.1 静态多态

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)。

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,在编译器间就已经确定了,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!

3.2 动态多态

C++多态性主要是通过虚函数实现的,虚函数允许子类重写(override)。

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)。

多态是由虚函数实现的,而虚函数主要是通过虚函数表(V-Table)来实现的。如果一个类中包含虚函数(virtual修饰的函数),那么这个类就会包含一张虚函数表,虚函数表存储的每一项是一个虚函数的地址。如下图:



这个类的每一个对象都会包含一个虚指针(虚指针存在于对象实例地址的最前面,保证虚函数表有最高的性能),这个虚指针指向虚函数表。

注:对象不包含虚函数表,只有虚指针,类才包含虚函数表,派生类会生成一个兼容基类的虚函数表。

  • 原始基类的虚函数表
    下图是原始基类的对象,可以看到虚指针在地址的最前面,指向基类的虚函数表(假设基类定义了3个虚函数)


  • 单继承时的虚函数(无重写基类虚函数)
    假设现在派生类继承基类,并且重新定义了3个虚函数,派生类会自己产生一个兼容基类虚函数表的属于自己的虚函数表。



    Derive Class继承了Base Class中的3个虚函数,准确说是该函数的实体地址被拷贝到Derive Class的虚函数列表中,派生新增的虚函数置于虚函数列表后面,并按声明顺序摆放。

  • 单继承时的虚函数(重写基类虚函数)
    现在派生类重写基类的x函数,可以看到这个派生类构建自己的虚函数表的时候,修改了base::x()这一项,指向了自己的虚函数。


  • 多重继承时的虚函数(class Derived :public Base1,public Base2)
    这个派生类多重继承了两个基类base1,base2,因此它有两个虚函数表。



    它的对象会有多个虚指针(据说和编译器相关),指向不同的虚函数表。

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