| marp | theme |
|---|---|
true |
gaia |
多态
一种形式，多种状态
多态的类型
静态多态（函数重载、运算符重载）
动态多态（虚函数）
快乐的动物园
进动物园之前： zoo-1.cpp
进动物园之后： zoo-2.cpp
注意：赋值兼容规则（P270）
问题：dog、cat都当作animal看待，缺乏个性。
解决方法1：静态多态
基类不变；修改派生类，增加不同的成员函数。
say_hello_dog_version() { ... }
say_hello_cat_version() { ... }
改动太大，调用也不方便。
解决方法2：动态多态
派生类不变；修改基类，把成员函数申明为虚函数。
virtual void say_hello() { ... }
只需要这一点改动，即可解决问题。
幕后黑手 —— vtable
在调试器中观察：
(gdb) p sizeof(a)
(gdb) p sizeof(b)
(gdb) p sizeof(c)
疑点：多出的4字节是什么？
定位多出的4字节空间的地址：
(gdb) p &a
(gdb) p &a.name
(gdb) p &b
(gdb) p &b.name
(gdb) p &c
(gdb) p &c.name
查看该空间的值：
(gdb) p &a
(gdb) p/x *(int *)&a
(gdb) p a
这个值是一个地址，查看该地址指向的空间的值：
(gdb) p *(*(int *)&a)
(gdb) p/x *(*(int *)&a)
对比每一个成员函数：
(gdb) p a.say_hello
(gdb) p a.my_name
可知它是成员函数my_name的地址
同样的方法，查看另外两个对象：
(gdb) p/x *(*(int *)&b)
(gdb) p b.say_hello
(gdb) p/x *(*(int *)&c)
(gdb) p c.say_hello
结论：该地址记录了各对象自己的虚函数的地址。
思考：
当存在第2个、第3个、第4个……虚函数时，如何记录？
zoo-3.cpp
(gdb) p a.say_hello
(gdb) p a.my_food
(gdb) p/x *(*(int *)&a)
(gdb) p/x *(*(int *)&a + 4)
(gdb) x *(int *)&a
(gdb) x/2 *(int *)&a
(gdb) x/2xw *(int *)&a
(gdb) help x
(gdb) help p
结论：每个对象指向一段内存空间，用于记录该对象的所有虚函数的地址，这些地址构成了一个地址表，这个地址表就称为vtable。
思考：
下例中有几个vtable？是否每个对象都有一个独立的vtable？
animal a("Animal");
dog b1("Dog1", 2021);
dog b2("Dog2", 2022);
cat c1("Cat1", "BLACK");
cat c2("Cat2", "WHITE");
animal *zoo[5]={&a, &b1, &b2, &c1, &c2};
for(int i=0; i<5; i++)
{
zoo[i]->say_hello();
}
思考：
问题1：animal能say_hello吗？
问题2：存在animal类型的对象吗？
直接删除say_hello，有什么问题？
解决方法：纯虚函数
纯虚函数的定义
virtual void say_hello() = 0;
zoo-4.cpp
抽象类： 拥有纯虚函数的类称为抽象类。抽象类不能被实例化，只能作为其它类的基类。
接口类： 当一个抽象类的所有成员函数都是纯虚函数时，这个抽象类又称为接口类。
抽象类的派生类： 一个抽象类的派生类需要实现这个抽象类的全部纯虚函数，才能被实例化。否则，这个派生类仍然是抽象类，仍然不能实例化。
模板：一种更加抽象的静态多态。
场景：多个函数，功能相似，参数类型不同。
解决方法：函数重载
addone-1.cpp
利用强制类型转换，可少写几个函数，减少代码量。
删除第1、2、3个函数……
删除第2、3、4个函数……
删除第2、3个函数……
删除第3个函数……
都不够简化，也不够优雅。
解决方法：函数模板
addone-2.cpp
函数模板最终会被“实例化”为模板函数。
一个函数模板，会被“实例化”为多个模板函数 —— 多态。
一个函数模板“实例化”为多个模板函数的过程在编译时完成的，运行时不会改变。 —— 静态多态。
用nm观察函数模板实例化的结果。
nm test.exe | find "addone"
004027e0 T __Z6addoneIcET_S0_
0040280c T __Z6addoneIdET_S0_
0040283c T __Z6addoneIfET_S0_
00402860 T __Z6addoneIiET_S0_
结论：一个函数模板“实例化”为多个模板函数的过程在编译时完成的。
函数模板 vs 函数重载
addone-1.cpp
函数重载：一个函数有多个实现 —— 多态。 函数与实现之间的对应在编译时完成，运行不会改变。 —— 静态多态。 用nm观察函数重载的结果。
nm test.exe | find "addone"
004015c0 T __Z6addonec
0040162e T __Z6addoned
0040160b T __Z6addonef
004015e9 T __Z6addonei
总结
如果把函数重载，看作你“手动”实现多个功能相似的函数，那么，可以把函数模板，看作由编译器“自动”帮你实现多个功能相似的函数。
函数模板也可以和函数重载配合使用，适应更加灵活的应用场景。
场景：多个类，功能相似，参数类型不同。
解决方法1：手工实现多个类（不够简化、不够优雅）
解决方法2：使用类模板，让编译器“自动”帮你实现多个类
node.cpp
用nm观察类模板实例化的结果。
nm test.exe | find "node"
004028a0 T __ZN4nodeIfE6appendEPS0_
004028e4 T __ZN4nodeIfE8get_nextEv
004028f8 T __ZN4nodeIfE9get_valueEv
00402908 T __ZN4nodeIfE9set_valueEf
00402920 T __ZN4nodeIfEC1Ev
00402940 T __ZN4nodeIiE6appendEPS0_
00402984 T __ZN4nodeIiE8get_nextEv
00402998 T __ZN4nodeIiE9get_valueEv
004029a8 T __ZN4nodeIiE9set_valueEi
004029c0 T __ZN4nodeIiEC1Ev
每个类都拥有自己的构造函数和成员函数版本。
总结
函数模板、类模板，都是由编译器“自动”帮你实现功能相似的代码。
泛型程序设计（Generic Programming）是一种程序设计风格，
泛型允许程序员在编写代码时使用一些以后才指定的数据类型。
《设计模式（Design Patterns）》一书将泛型称为：
参数化类型（Parameterized Type）。
很多程序设计语言和编译器都支持泛型，
泛型在不同的程序设计语言中有不同的叫法。
Ada、Delphi、Eiffel、Java、C#、F#、Swift、Visual Basic .NET：泛型（Generics）
ML、Scala、Haskell：参数多态（Parametric Polymorphism）
C++、D：模板
使用泛型，可编写出不依赖于具体数据类型的程序，
从而将算法从特定的数据结构中抽象出来。
实现时：算法和数据结构分离，减少重复的代码量。
使用时：算法和数据结构组合，适应不同的应用场景。
C++ 的STL（Standard Template Library） ，即标准模板库，是泛型程序设计最成功的应用案例。
STL 是一个工业级的、高效的C++程序库。
STL 它包含了诸多在计算机科学领域里所常用的基本数据结构（如数组、向量、链表、队列、栈、树）和算法（如排序、查找）。这些数据结构和算法组合在一起，为我们的软件开发提供了良好的支持。
STL于1998年正式加入 C++ 标准。
Bjarne Stroustrup的《The C++ Programming Language》一书中，有1/3以上的篇幅讲述STL。
进一步的学习
The C++ Programming Language（Bjarne Stroustrup）
C++ Primer（Stanley B. Lippman）
课程MOOC www.icourse163.org/course/UESTC-1001774006?tid=1465243448 第九章 继承、派生与多态 第十章 模板、命名空间和异常处理
码图作业 matu.uestc.edu.cn 班级：C++程序设计（2021） 第9章 作业1、作业2 第10章 作业1、作业2