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C++和Java多态的区别

C++和Java多态的区别 曼昂网络爬虫
2015-11-11
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导读:多态是面向对象编程的一个重要特征,本文就C++与Java在多态的实现方面进行比较,让大家对多态有更清楚的了解

多态在 Java 和 C++ 中的实现异同:

  • 单继承情况下,两者实现在本质上相同,都是使用方法表,通过方法表的偏移量来调用具体的方法。

  • Java 的方法表中包含 Java 类所定义的所有实例方法,而 C++ 的方法表则只包含需要动态绑定的方法 (virtual 修饰的方法 )。这样,在 Java 下所有的实例方法都要通过方法表调用,而 C++ 中的非虚方法则是静态绑定的。

  • 任意 Java 对象只 “指向”一个方法表,而 C++ 在多重继承下则可能指向多个方法表,编译器保证这多个方法表的正确初始化。

  • 多层继承中 C++ 面临的主要问题是 this 指针的调整,设计更精巧更复杂;而 Java 在接口调用时完全采用搜索的方式,实现更直观,但调用效率比实例方法调用要慢许多。

可以看到,两者之间既有相似之处,也有不同的地方。对于单继承的实现本质上是一样的,但也有细微的差别(如方法表);差别最大的是对于多重继承(多重接口)的支持。实际上,由于 C++ 是静态编译型语言,它无法像 Java 那样,在运行时刻动态的“查找”所要调用的方法。

实例:

C++中,如果父类中的函数前边标有virtual,才显现出多态。

如果父类func是virtual的,则

[java] view plaincopy

  1. Super *p =new Sub();

  2. p->func(); // 调用子类的func


如果不是virtual的,p->func将调用父类原来的函数。


Java中,不管写不写virtual都是多态的,子类的同名函数会override父类的。与C++很不同的是,初始化的过程也不相同。在还未初始化子类的时候,子类的同名函数就已经覆盖了父类的了。例如:

[java] view plaincopy

  1. public class Super {

  2. public Super() {

  3. System.out.println("super constructor...");

  4. m();

  5. }

  6. protected void m() {

  7. System.out.println("test");

  8. }

  9. }

  10. public class Sub extends Super{

  11. private final Date date;

  12. public Sub(){

  13. System.out.println("sub constructor...");

  14. date=new Date();}

  15. public void m()

  16. {

  17. System.out.println(date);

  18. }

  19. public static void main(String[] args)

  20. {

  21. Super test1=new Sub();

  22. test1.m(); //执行的子类的m

  23. }

  24. }


new Sub的时候首先调用Super,Super构造函数调用的m就已经是被Sub覆盖的m,所以会print出null(因为日期没有初始化)。所以在java中,不要在父类构造函数中调用外部可改变的方法,有可能会输出可改变方法中还没初始化的东西。

但是,同样的初始化在C++中,初始化一个子类的时候,父类调用的m,是父类自己的m,不会调用子类的。


C++和java中多态机制的异同

以前我有个错误的观点:即使在C++和java中多态性的实现机制可能不同,但它们的表现形式应该相同,也就是说如果代码结构相同,那么执行结果也应该相同。可惜事与愿违,事情并不总是你想象中的那样子。(在看下文以前,你最好先考虑一下这个问题,你有什么看法呢?)

ok,让我们进入正题。

首先本文不讨论面向对象编程的基本概念,如封装、继承和数据抽象等,这方面的资料现在应该多如牛毛,只是稍微提一下多态性的概念。根据Bjarne Stoustrup的说法,多态性其实就是方法调用的机制,也就是说当在编译时无法确定一个对象的实际类型时,应当能够在运行时基于对象的实际类型来决定调用的具体方法(动态绑定)。

C++中的函数调用方式:

Ø 普通函数调用:具体调用哪个方法在编译时间就可以决定(通过查找编译器的符号表),同时在使用标准过程调用机制基础上增加一个表示对象身份的指针(this指针)。

Ø 虚函数调用:函数调用依赖于对象的实际类型,一般地说,对象的实际类型只能在运行时间才能确定。虚函数一般要有两个步骤来支持,首先每一个类产生出一堆指向虚函数的指针,放在表格中,这个表格就叫虚函数表(virtual table);然后每一个类对象(class object)会添加一个指向相关虚函数表(virtual table)的指针,通常这个指针叫做vptr。

在Java中的函数调用方式:
区别还是满大的。在java虚拟机中,类实例的引用就是指向一个句柄(handle)的指针,而该句柄(handle)其实是一对指针:其中一个指针指向一张表,该表格包含了对象的方法列表以及一个指向类对象(表示对象类型)的指针;另一个指针指向一块内存地址,该内存是从java堆中为对象的数据而分配出来的。

唔,你要说了,好象差不多嘛,不是都要维护一张函数表吗?别急,让我们先看一下例子,这样你就能更好的理解它们之间的区别到底有多大了。

下面是C++和java的例子,不看后面的答案,你能够正确说出它们的执行结果吗?

例1:C++

  1. class Base

  2. {

  3. public:

  4. Base(){init();}

  5. virtual ~Base() {}

  6. public:

  7. virtual void do_init(){init();}

  8. protected:

  9. virtual void init()

  10. {

  11. cout << "in Base::init()" << endl;

  12. }

  13. };

  14. class Derived : public Base

  15. {

  16. public:

  17. Derived(){init();}

  18. protected:

  19. void init()

  20. {

  21. cout << "in Derived::init()" << endl;

  22. }

  23. };

  24. int main(int argc, char* argv[])

  25. {

  26. Base* pb;

  27. pb = new Derived();

  28. delete pb;

  29. return 0;

  30. }


例2:java

  1. class Base

  2. {

  3. public Base(){init();}

  4. protected void init()

  5. {

  6. System.out.println("in Base::init()");

  7. }

  8. public void do_init() {init();}

  9. }

  10. class Derived extends Base

  11. {

  12. public Derived(){init();}

  13. protected void init()

  14. {

  15. System.out.println("in Derived::init()");

  16. }

  17. }

  18. public class Test

  19. {

  20. public static void main(String[] args)

  21. {

  22. Base base = new Derived();

  23. }

  24. }




例1的执行结果是:

in Base::init()

in Derived::init()

例2的执行结果是:

in Derived::init()

in Derived::init()

看了结果后,你是马上顿悟呢抑或是处于疑惑中呢?ok,我们来分析一下两个例子的执行过程。

首先看一下例1(C++的例子):

  1. 1. Base* pb; 只是声明,不做什么。

  2. 2. pb = new Derived();

1) 调用new操作符,分配内存。

2) 调用基类(本例中是Base)的构造函数

3) 在基类的构造函数中调用init(),执行程序首先判断出当前对象的实际类型是Base(注意:Derived还没构造出来,当然不会是Derived,这是与Java的不同),所以这里调用的是Base::init()。

4) 调用派生类(本例中是Derived)的构造函数,在这里同样要调用init(),执行程序判断出当前对象的实际类型是Derived,调用Derived::init()。

  1. 3. delete pb; 无关紧要。


例2(java的例子)的执行过程:

  1. 1. Base base = new Derived();


1) 分配内存。

2) 调用基类(本例中是Base)的构造函数

3) 在基类的构造函数中调用init(),执行程序首先判断出当前对象的实际类型是Derived(注意:Derived已经构造出来,它的函数表当然也已经确定了,这是与C++的不同)所以这里调用的是Derived::init()。

4) 调用派生类(本例中是Derived)的构造函数,在这里同样要调用init(),执行程序判断出当前对象的实际类型是Derived,调用Derived::init()。

明白了吧。java中的类对象在构造前(调用构造函数之前)就已经存在了,其函数表和对象类型也已经确定了,就是说还没有出生就已经存在了。而C++中只有在构造完毕后(所有的构造函数都被成功调用)才存在,其函数表和对象的实际类型才会确定。所以这两个例子的执行结果会不一样。当然,构造完毕后,C++与java的表现就都一样了,例如你调用Derived::do_init()的话,其执行结果是:

in Derived::init()。


例子3:C++

  1. class Base

  2. {

  3. public:

  4. Base(){init();}

  5. virtual ~Base() {}

  6. protected:

  7. int value;

  8. virtual void init()

  9. {

  10. value = 100;

  11. }

  12. };

  13. class Derived : public Base

  14. {

  15. public:

  16. Derived(){init();}

  17. protected:

  18. void init()

  19. {

  20. cout << "value = " << value << endl;

  21. // 做一些额外的初始化工作

  22. }

  23. };

  24. int main(int argc, char* argv[])

  25. {

  26. Base* pb;

  27. pb = new Derived();

  28. delete pb;

  29. return 0;

  30. }


例4:java

  1. class Base

  2. {

  3. public Base(){init();}

  4. protected int value;

  5. protected void init(){value = 100;}

  6. }

  7. class Derived extends Base

  8. {

  9. public Derived(){init();}

  10. protected void init()

  11. {

  12. System.out.println("value = " + value);

  13. // 做一些额外的初始化工作

  14. }

  15. }

  16. public class Test

  17. {

  18. public static void main(String[] args)

  19. {

  20. Base base = new Derived();

  21. }

  22. }


例3的执行结果是:

value = 10

例4的执行结果是:

value = 0

value = 0

从以上结果可以看出,java例子中应该被初始化的值(这里是value)没有被初始化,派生类根本不能重用基类的初始化函数。试问,如果初始化要在构造时完成,并且初始化逻辑比较复杂,派生类也需要额外的初始化,派生类是不是需要重新实现基类的初始化函数呢?这样的面向对象方法好不好呢?欢迎大家讨论。

例5:java

  1. class Parent{

  2. int x=10;

  3. public Parent(){

  4. add(2);

  5. }

  6. void add(int y){

  7. x+=y;

  8. }

  9. }

  10. class Child extends Parent{

  11. int x=9;

  12. void add(int y){

  13. x+=y;

  14. }

  15. public static void main(String[] args){

  16. Parent p=new Child();

  17. System.out.println(p.x);

  18. }

  19. }


问输出结果是什么?
答案应该是10。
要理解结果为什么是10,需要首先明白下面的知识:

(1)方法和变量在继承时的隐藏与覆盖

隐藏:若B隐藏了A的变量或方法,那么B不能访问A被隐藏的变量或方法,但将B转换成A后可以访问A被隐藏的变量或者方法。

覆盖:若B覆盖了A的变量或者方法,那么不仅B不能访问A被覆盖的变量或者方法,将B转换成A后同样不能访问A被覆盖的变量或者方法。

(2)Java中变量与方法在继承中的隐藏与覆盖规则:

一、父类的实例变量和类变量能被子类的同名变量隐藏。
二、父类的静态方法被子类的同名静态方法隐藏,父类的实例方法被子类的同名实例方法覆盖。
三、不能用子类的静态方法隐藏父类的实例方法,也不能用子类的实例方法覆盖父类的静态方法,否则编译器会异常。
四、用final关键字修饰的最终方法不能被覆盖。
五、变量只能被隐藏不会被覆盖,子类的实例变量可以隐藏父类的类变量,子类的类变量也可以隐藏父类的实例变量。


在上面的试题中,子类Child的实例方法add(int y)覆盖了父类Parent的实例方法add(int y),而子类的实例变量x则是隐藏了父类的实例变量x。

Child对象的初始化过程是:

首先为父类的实例变量x分配内存空间,因为在定义变量x时为它赋了值(int x=10),所以会同时将这个值赋给x。
其次调用父类的无参构造函数,Parent的构造函数中做的唯一的事情就是调用了add(2);
第三、由于子类的add(int y)方法覆盖了父类的方法,所以add(2)实际调用的是子类的方法,在子类的add方法中做了如下操作x+=j;在这里由于子类的实例变量x隐藏了父类的实例变量x,所以这条语句是针对子类本身的,但是这时还没有为子类的实力变量x分配空间,它的默认值是0,加2之后是2。
第四、父类初始化完毕后接着初始化子类,为子类的x分配内存空间并将它赋值为9,之前的add(2)操作白瞎了。
再次注意Parent p=new Child();这条语句,它是用父类的引用指向子类的对象,而前面已经说过变量只会被隐藏不会被覆盖,所以这时的p.x值应该是父类的10,而不是子类的9;


如果将输出语句换成下面的语句结果就是9了:

  1. System.out..println(((Child)p).x); //首先将p转换成Child类型


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