C++編譯期多態(tài)與運(yùn)行期多態(tài)

來源：https://www.cnblogs.com/QG-whz/p/5132745.html

前言

今日的C++不再是個(gè)單純的“帶類的C”語(yǔ)言，它已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)多種次語(yǔ)言所組成的語(yǔ)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：

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。