C++編譯時(shí)多態(tài)和運(yùn)行時(shí)多態(tài)

作者：melonstreet
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前言

今日的C++不再是個(gè)單純的“帶類的C”語言，它已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)多種次語言所組成的語言集合，其中泛型編程與基于它的STL是C++發(fā)展中最為出彩的那部分。在面向?qū)ο驝++編程中，多態(tài)是OO三大特性之一，這種多態(tài)稱為運(yùn)行期多態(tài)，也稱為動(dòng)態(tài)多態(tài)；在泛型編程中，多態(tài)基于template(模板)的具現(xiàn)化與函數(shù)的重載解析，這種多態(tài)在編譯期進(jìn)行，因此稱為編譯期多態(tài)或靜態(tài)多態(tài)。在本文中，我們將了解：

什么是運(yùn)行期多態(tài)

什么是編譯期多態(tài)

它們的優(yōu)缺點(diǎn)在哪

運(yùn)行期多態(tài)

運(yùn)行期多態(tài)的設(shè)計(jì)思想要?dú)w結(jié)到類繼承體系的設(shè)計(jì)上去。對(duì)于有相關(guān)功能的對(duì)象集合，我們總希望能夠抽象出它們共有的功能集合，在基類中將這些功能聲明為虛接口（虛函數(shù)），然后由子類繼承基類去重寫這些虛接口，以實(shí)現(xiàn)子類特有的具體功能。典型地我們會(huì)舉下面這個(gè)例子：

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-r8RIXVVw-1642570130701)(C++編譯時(shí)多態(tài)和運(yùn)行時(shí)多態(tài).assets/poly0.png)]

class Animal { public :virtual void shout() = 0; }; class Dog :public Animal { public:virtual void shout(){ cout << "汪汪！"<<endl; } }; class Cat :public Animal { public:virtual void shout(){ cout << "喵喵~"<<endl; } }; class Bird : public Animal { public:virtual void shout(){ cout << "嘰喳!"<<endl; } };int main() {Animal * anim1 = new Dog;Animal * anim2 = new Cat;Animal * anim3 = new Bird;//藉由指針（或引用）調(diào)用的接口，在運(yùn)行期確定指針（或引用）所指對(duì)象的真正類型，調(diào)用該類型對(duì)應(yīng)的接口anim1->shout();anim2->shout();anim3->shout();//delete 對(duì)象...return 0; }

運(yùn)行期多態(tài)的實(shí)現(xiàn)依賴于虛函數(shù)機(jī)制。當(dāng)某個(gè)類聲明了虛函數(shù)時(shí)，編譯器將為該類對(duì)象安插一個(gè)虛函數(shù)表指針，并為該類設(shè)置一張唯一的虛函數(shù)表，虛函數(shù)表中存放的是該類虛函數(shù)地址。運(yùn)行期間通過虛函數(shù)表指針與虛函數(shù)表去確定該類虛函數(shù)的真正實(shí)現(xiàn)。

運(yùn)行期多態(tài)的優(yōu)勢(shì)還在于它使處理異質(zhì)對(duì)象集合稱為可能：

//我們有個(gè)動(dòng)物園，里面有一堆動(dòng)物 int main() {vector<Animal*>anims;Animal * anim1 = new Dog;Animal * anim2 = new Cat;Animal * anim3 = new Bird;Animal * anim4 = new Dog;Animal * anim5 = new Cat;Animal * anim6 = new Bird;//處理異質(zhì)類集合anims.push_back(anim1);anims.push_back(anim2);anims.push_back(anim3);anims.push_back(anim4);anims.push_back(anim5);anims.push_back(anim6);for (auto & i : anims){i->shout();}//delete對(duì)象//...return 0; }

總結(jié)：運(yùn)行期多態(tài)通過虛函數(shù)發(fā)生于運(yùn)行期

編譯期多態(tài)

對(duì)模板參數(shù)而言，多態(tài)是通過模板具現(xiàn)化和函數(shù)重載解析實(shí)現(xiàn)的。以不同的模板參數(shù)具現(xiàn)化導(dǎo)致調(diào)用不同的函數(shù)，這就是所謂的編譯期多態(tài)。
相比較于運(yùn)行期多態(tài)，實(shí)現(xiàn)編譯期多態(tài)的類之間并不需要成為一個(gè)繼承體系，它們之間可以沒有什么關(guān)系，但約束是它們都有相同的隱式接口。我們將上面的例子改寫為:

class Animal { public :void shout() { cout << "發(fā)出動(dòng)物的叫聲" << endl; }; }; class Dog { public:void shout(){ cout << "汪汪！"<<endl; } }; class Cat { public:void shout(){ cout << "喵喵~"<<endl; } }; class Bird { public:void shout(){ cout << "嘰喳!"<<endl; } }; template <typename T> void animalShout(T & t) {t.shout(); } int main() {Animal anim;Dog dog;Cat cat;Bird bird;animalShout(anim);animalShout(dog);animalShout(cat);animalShout(bird);getchar(); }

在編譯之前，函數(shù)模板中t.shout()調(diào)用的是哪個(gè)接口并不確定。在編譯期間，編譯器推斷出模板參數(shù)，因此確定調(diào)用的shout是哪個(gè)具體類型的接口。不同的推斷結(jié)果調(diào)用不同的函數(shù)，這就是編譯器多態(tài)。這類似于重載函數(shù)在編譯器進(jìn)行推導(dǎo)，以確定哪一個(gè)函數(shù)被調(diào)用。

運(yùn)行期多態(tài)與編譯期多態(tài)優(yōu)缺點(diǎn)分析

運(yùn)行期多態(tài)優(yōu)點(diǎn)

OO設(shè)計(jì)中重要的特性，對(duì)客觀世界直覺認(rèn)識(shí)。

能夠處理同一個(gè)繼承體系下的異質(zhì)類集合。

運(yùn)行期多態(tài)缺點(diǎn)

運(yùn)行期間進(jìn)行虛函數(shù)綁定，提高了程序運(yùn)行開銷。

龐大的類繼承層次，對(duì)接口的修改易影響類繼承層次。

由于虛函數(shù)在運(yùn)行期在確定，所以編譯器無法對(duì)虛函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

虛表指針增大了對(duì)象體積，類也多了一張?zhí)摵瘮?shù)表，當(dāng)然，這是理所應(yīng)當(dāng)值得付出的資源消耗，列為缺點(diǎn)有點(diǎn)勉強(qiáng)。

編譯期多態(tài)優(yōu)點(diǎn)

它帶來了泛型編程的概念，使得C++擁有泛型編程與STL這樣的強(qiáng)大武器。

在編譯器完成多態(tài)，提高運(yùn)行期效率。

具有很強(qiáng)的適配性與松耦合性，對(duì)于特殊類型可由模板偏特化、全特化來處理。

編譯期多態(tài)缺點(diǎn)

程序可讀性降低，代碼調(diào)試帶來困難。

無法實(shí)現(xiàn)模板的分離編譯，當(dāng)工程很大時(shí)，編譯時(shí)間不可小覷。

無法處理異質(zhì)對(duì)象集合。

關(guān)于顯式接口與隱式接口

所謂的顯式接口是指類繼承層次中定義的接口或是某個(gè)具體類提供的接口，總而言之，我們能夠在源代碼中找到這個(gè)接口.顯式接口以函數(shù)簽名為中心，例如

void AnimalShot(Animal & anim) {anim.shout(); }

我們稱shout為一個(gè)顯式接口。在運(yùn)行期多態(tài)中的接口皆為顯式接口。

而對(duì)模板參數(shù)而言，接口是隱式的，奠基于有效表達(dá)式。例如：

template <typename T> void AnimalShot(T & anim) {anim.shout(); }

對(duì)于anim來說，必須支持哪一種接口，要由模板參數(shù)執(zhí)行于anim身上的操作來決定，在上面這個(gè)例子中，T必須支持shout()操作，那么shout就是T的一個(gè)隱式接口。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的C++编译时多态和运行时多态的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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