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polymorphism.md

File metadata and controls

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多态

编译时多态

编译时多态主要是通过 函数重载模板 来实现的,模板包括 函数模板类模板。这种多态又称之为 泛型

函数模板

template<typename T> 
int fun(T &t);

fun(8);

为一个模板参数,其中T为模板形参(只是定义了它但是并未说明如何初始化它),是一个 类 类型 的参数,称之为模板类型参数,与之对应的还有 不是 类 类型 的参数,称之为非类型模板参数,从8 推断出的类型int 是模板实参(隐式指定),也可以显示指定模板实参:fun<int> (8);

  • 普通函数模板
template<typename T>
int fun(T &t);
  • 非类型模板参数
template<unsigned int N>
void fun(char (&p)[N]);

非类型参数可以是整型,也可以是对对象函数引用指针,绑定到整型模板参数的实参必须是个常量表达式,绑定到引用或指针的实参必须静态生存期,也就是说我们不能把局部变量或动态对象用作指针或引用类型的实参。

  • inlineconstexpr关键字 跟在 模板参数列表 之后
template<typename T> inline T &fun(T &t);
  • 返回类型未知的尾置返回类型
template<typename T> ??? fun(T t>{return *t;}
// 我们不清楚*t 的具体类型,而且t是在参数之后才存在的,因此可以使用尾置返回类型
template<typename T> auto fun(T t) -> decltype(*t) {return *t;}

尾置返回类型的优点就是允许我们使用参数列表中的变量来推断返回类型,反之,不使用尾置返回类型的话因为形参的变量还未声明不能使用它作为返回类型

  • 默认模板实参
template<typename T, typename M = int>
M fun(T &t);

默认模板实参既适用于函数模板也适用于类模板:

template<typename T = int>
class Object{};

我们可以适用 Object<>来使用默认地模板参数,也可以使用Object<long>来显式指定参数

类模板

template<typename T> class Object{
private:
    T t;
}

向类模板传参必须要用显式传参,不像函数模板的隐式推断。例如Object<int> obj;来进行显式传参,其中 int显式模板实参

  • 类模板的模板类型别名
// 可以使用下面这种类型别名,但这种形式只适用于 实例化的模板版本
typedef Object<int> Obj;
// 我们不能使用下面这种方式
typedef Object<T> Obj;
//但是我们可以使用 using 声明来定义类型别名
template<typename T> using Obj = Object<T,T>;
  • 类的 static 成员 对于普通类的static 成员,所有实例化的对象共享一个,而对于模板的static 成员是每个实例化的模板类都是共享一个

因此为了访问一个模板类的static 成员,必须使用实例化后地模板类加上域作用符来访问

  • 使用模板参数的类型成员 假设有个模板参数 T,我们想使用 T 中的类型Type,我们会使用T::Type的形式,但是编译器会误认为Type 是T类的静态类型成员(默认情况下cpp会认为使用域作用符访问的名字是变量而不是类型)

为了消除这种误会,我们必须显式地告诉编译器该名字是一个类型而不是一个变量,这种情况需要使用 typename 来实现:typename T::Type

这里是目前唯一一个typename 不能被class代替地地方

  • 控制实例化 为了控制模板在不同地文件内实例化同一个实例化的模板类,我们可以在模板不需要实例化的地方显式指明

使用 extern 声明标识该处不需要实例化模板,有点类似于类的前置声明

extern template<int> 
class Object{};

可变参数模板

可变参数模板指的是模板的参数的数目是可变的,有点类似于 initilalizer_list

我们使用省略号来标识我们的参数是数目可变的参数

template <typename T, typename... Args>
void fun(T &t, const Args & ... rest);

第一行的 Args 是一个模板参数包,第二行的 rest 是函数参数包

对于 一个参数包我们可以使用 sizeof...来获其大小

// fun("1","2","3","4");

template<typename T, typename ... Args>
void fun(T &t, const  Args& ... rest)
{
    cout<<sizeof...(Args)<<endl;
    cout<<sizeof...(rest)<<endl;
}
  • 包扩展
template<typename T, typename... Args>
T & fun(T &t, const  Args&... rest)
{
    cout<<rest...<<endl;
}

上面这种形式被称为包扩展,其中 第二行为模板参数包包扩展,而第四行为函数参数包包扩展

const & 修饰 Args 被称为 扩展模式

模板特例化 与 函数重载

模板的特例化也可以看作是一种函数重载的方式,编译器会选择最特例化版本的那个函数使用。

运行时多态

运行时多态主要是通过 继承 和 虚函数 来实现的。

继承

继承是一种层次关系,被继承的类是基类,继承得到的类是派生类

派生类通过派生类列表来指明是从哪个基类派生而来。派生类列表的格式是:派生类后面一个冒号,然后紧跟逗号分隔的基类,每个基类可以有访问控制说明符,类似于下面的方式:

class kkk: public kk, public k {

}

通过继承和虚函数,我们可以使用同一段代码来分别处理基类和派生类的对象,从而实现了多态。这种方式我们称之为动态绑定运行时绑定

我们可以通过使用基类的指针或是引用来调用虚函数从而实现动态绑定

  • 继承与访问控制 在分析访问控制说明符之前,我们先要分清两个概念,一个是 类的设计者,一个是 类的使用者。

对于 无继承关系的类来说,类的设计者拥有类的绝对权限,也就是说类的所有成员的权限。而类的使用者,也就是实例化后的对象拥有类设计者指定的权限。

而我们所迷惑的protected 指的就是基类中的 protected 成员对于 基类的使用者 同样也是 派生类的设计者 部分是可访问的,我们给这种 同时具有派生类设计者基类使用者两种身份的用户定义一个新名字为类的设计使用者,而对于派生类的使用者是不可见的,比如派生类实例化的对象或是派生类的友元(友元只对当前类的成员有效,而对于继承而来的类是无效的)等。

当引入继承关系后,派生类其实就是基类的类使用者,例如我们有下面这样的类设计:

class A {
private:
    int a;
protected:
    int b;
public:
    int c;
};

class B : public A {
public:
    B()
    {
        b = 1;// B() 是 A 的使用者也是 B 的设计者 所以 b 对其可访问
    }
    int e;
private:
    int f;
};

class C : protected A {
public:
    C()
    {
        b = 1;
        c = 1;
    }
};

class D : private A {
public:
    D()
    {
        b = 1;
        c = 1;
    }
};

class E : public C {
public:
    E()
    {
        b = 1; //这里可以使用 C 中的 protected 的成员 包括 C从A继承的protected 成员 b 这里特别注意
        c = 1;
    }
};
class F : public D {
public:
    F()
    {
        // b = 1; 因为D从 A继承是 private 所以即使是在 类的设计使用者这里也不能访问 protected 的成员
        // c = 1; 同上
    }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    B classB;
    C classC;
    D classD;
    //classB.b = 1; // 这里的classB 是B 的使用者 所以b对其不可访问。
    
    
    classB.c = 1; // 可访问 因为是public 控制的继承
    //classC.c = 1; // 不可访问 因为是 protected 控制的访问继承 classC 是类的使用者
    //classD.c = 1; // 不可访问  因为是 private 控制的访问继承即使是 classD 是类的使用者
    
    E classE;
    // classE.b = 1; // 这里的 classE 是类的使用者,而不是设计使用者,因此不能访问 b
    //classE.c = 1; // 由于 C 继承 A 是 protected 所以说C 中继承 A 的部分包括A 的public 部分只能在 C类的设计使用者处可以使用
    // 比如上面 派生类E的构造函数中
    
    return 0;
}

可以看出基类前面的访问控制符是想说明这样的一个关系:对于一个类那部分可见成员(包括 基类继承得到 protected 成员),类的设计使用者应该有的权限,以及类的使用者该有的权限,例如 protected 说明 类的可见成员只对 类的设计使用者可见,而对类的使用者不可见。

  • 静态类型 与 动态类型 静态类型总是在编译时就已知了,而动态类型要等到运行时才知道它的具体类型。

虚函数

虚函数的存在让运行时多态真正可行,这里我们想拥有的多态特性应该像下面这样:

  • 子类对象可以用于初始化父类对象或者直接给父类对象赋值(这里会出现子类的独有部分被切掉(sliced down)
  • 使用父类对象的指针或引用直接指向子类对象

虚函数的实现是通过在构造对象的时候给对象分配一个虚函数指针vptr,该指针指向一个虚函数表,该表中函数的数目和虚函数的个数应该是一样的。

派生类中虚函数表的个数与基类的个数一样,也就是说,有多少个基类就会在派生类的对象上面附加几个虚函数表。

如果派生类override基类的虚函数,那么它在实例化的时候就会使用自己的虚函数指针替换父类的虚函数的指针。具体参考一片极好的文章C++ 虚函数表解析

其中获取虚函数的调用对象的代码很值得学习,在这里贴出来仔细分析:

typedef void(*Fun)(void); // 定义一个函数指针类型
Fun pFun = NULL; // 初始化函数指针
pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));// 取得虚函数的地址
// 仔细分析上行代码 
// 首先&b 获得b 的地址
// 由于虚函数表的地址就是对象的首地址 因此使用 (int *) (&b) 来将对象的指针转换为 int * 的指针来得到虚函数表的地址
// 虚函数表的首地址就是指向了第一个虚函数,解引用就得到了第一个虚函数的对象  *(int*)(&b)
// 将得到的虚函数对象转换为一个可调用的函数指针
// 将指针加一,指针就指向下一个可调用的函数对象((int*)*(int*)(&b)+1)
// 解引用得到可调用对象 *((int*)*(int*)(&b)+1)
// 将得到的对象转换为 Fun 类型的对象 (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1)
pFun(); // 调用虚函数,这里的pFun 是一个指针,因此解引用和不解引用都市一样的也就是说等价于 (*pFun)();
(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1);// 第二个虚函数

纯虚函数

使用 virtual =0 来声明一个纯虚函数,含有纯虚函数的类称之为抽象类,抽象类不能用于实例化对象。必须通过子类派生自抽象类然后才能实例化对象。