[C++]多态

🥁作者： 华丞臧
📕​​​​专栏：【C++】
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一、多态的概念

通俗地讲，多态就是多种形态，具体讲就是去完成某个行为，当不同对象去完成时会产生不同的状态。

比如高铁买票这个行为，当普通人去买票时，是全价票；而当学生去买票时，是半价票；军人买票时，是优先买票；每个对象都是不同的类型，这些不同的对象去完成同一个行为时产生不同的状态。

二、多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

多态是在不同继承关系的类对象，去调用同一函数，产生了不同的行为。
那么在继承中药构成多态还有两个条件：

1. 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数；
2. 被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对基类的虚函数进行重写；

2.2 虚函数

即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

class Person 
{
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;}
};

2.3 虚函数重写

虚函数的重写（也称为覆盖）：派生类中有一个与基类完全相同的虚函数，即派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名、参数列表完全相同，称为子类的虚函数重写了基类的虚函数。
注意和隐藏区分开，隐藏是函数名相同就构成隐藏。
如下代码就是重写了基类的虚函数：

#include <iostream>
using namespace std;class Person 
{
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};class Student : public Person
{
public:virtual void BuyTicket(){cout << "买票-半价" << endl;}
};class Soldier : public Person
{
public:virtual void BuyTicket(){cout << "买票-优先买票" << endl;}
};void Func(Person& p)
{p.BuyTicket();
}void test()
{Person per;Student stu;Soldier sol;Func(per);Func(stu);Func(sol);
}int main()
{test();return 0;
}

注意：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因为继承后基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性)，但是该种写法不是很规范，不建议这样使用。

不同对象产生不同状态：

2.4 虚函数重写的两个例外

1. 协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)
   派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型不同。即基类虚函数返回基类对象的指针或者引用，派生类虚函数返回派生类对象的指针或者引用时，称为协变。（了解）

class A{};
class B : public A {};class Person 
{
public:virtual A* f() {return new A;}
};class Student : public Person 
{
public:virtual B* f() {return new B;}
};

2. 析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)
   如果基类的析构函数为虚函数，此时派生类析构函数只要定义，无论是否加virtual关键字，都与基类的析构函数构成重写，虽然基类与派生类析构函数名字不同。虽然函数名不相同，看起来违背了重写的规则，其实不然，这里可以理解为编译器对析构函数的名称做了特殊处理，编译后析构函数的名称统一处理成destructor。

class Person 
{
public:virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};class Student : public Person 
{
public:virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};// 只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数，下面的delete对象调用析构函数，才能构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确的调用析构函数。
int main()
{Person* p1 = new Person;Person* p2 = new Student;delete p1;delete p2;return 0;
}

2.5 C++11 override和final

从上面可以看出，C++对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重载，而这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运行时没有得到预期结果才来debug会得不偿失，因此：C++11提供了override和final两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。

1. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写。

2. override：检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有重写编译报错。

//final修饰基类虚函数
class Car
{
public:virtual void Drive() final {}
};//override修饰派生类虚函数
class Benz :public Car {
public:virtual void Drive() override {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};

2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)

三、抽象类

3.1 抽象类的概念

在虚函数的后面写上 =0,则这个函数称为纯虚函数。而包含纯虚函数的类就叫做抽象类（也叫接口类），抽象类不能实例化出对象，派生类继承后也不能实例化出对象。
只有重写纯虚函数，派生类才能实例化出对象；纯虚函数规范了派生类必须重写，另外纯虚函数跟体现出了接口继承。

class Car
{
public:virtual void Drive() = 0;
};
class Benz :public Car
{
public:virtual void Drive(){cout << "Benz-舒适" << endl;}
};
class BMW :public Car
{
public:virtual void Drive(){cout << "BMW-操控" << endl;}
};
void Test()
{Car* pBenz = new Benz;pBenz->Drive();Car* pBMW = new BMW;pBMW->Drive();
}

为什么要有抽象类呢？

抽象类可以描述现实中没有具体对应实体、一些概念上的东西，比如说：动物、植物。

3.2 接口继承和实现继承

普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，可以使用函数，继承的是函数的实现。虚函数的继承是一种接口继承，派生类继承的是基类虚函数的接口，目的是为了重写，达成多态，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

四、多态的原理

4.1 虚函数表

// 这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？
class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}
private:int _b = 1;
};

程序运行结果如下图：

• 按照类来算，Base的大小应该为4，但结果却是8，这是由于在Base类中添加了一个虚函数表。

如下图：t 对象当中有一个_vfptr表，表中存放虚函数的地址；

4.2 多态原理

多态的实现需要靠子类对父类的虚函数进行重写，在父类的指针或者引用指向子类时，子类对象通过类中虚函数表（简称虚表）来找到重写函数的地址。

• 虚函数重写–语法层的概念：派生类对继承基类虚函数实现进行了重写；
• 虚函数覆盖–原理层的概念：子类的虚表，拷贝父类虚表进行了修改，覆盖重写那个虚函数。

#include <iostream>
using namespace std;class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Base->Func1()" << endl;}void Func2(){cout << "Base->Func2()" << endl;}
private:int _b = 1;
};class Drive : public Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Drive->Func1()" << endl;}void Func2(){cout << "Drive->Func2()" << endl;}
private:int _d = 1;
};int main()
{Base b;Drive d;Base* r1 = &b;r1->Func1();r1->Func2();Base* r2 = &d;r2->Func1();r2->Func2();return 0;
}

程序运行结果如下：

可以看到重写的虚函数构成多态，普通函数不构成多态。调试代码通过监视窗口可以看到多态调用，父类指针中的虚函数表变成了子类的虚函数地址。Func1继承下来是虚函数，所以放进了虚函数表，而Func3继承下来了但不是虚函数，所以不会放进虚函数表。

调试后转反汇编，可以看到多态调用会先通过虚函数表去找对应虚函数的地址，而普通调用直接有对应函数地址。

派生类的虚表生成：

• a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中；
• b.如果派生类重写了基类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数 ；
• c.派生类自己新增加的虚函数按其在派生类中的声明次序增加到派生类虚表的最后。

总结：

1. 多态调用是运行时决议，即运行时确定调用函数的地址；
2. 普通调用是编译时决议，即编译时确定调用函数的地址；
3. 虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况这个数组最后面放了一个nullptr。
4. 虚表存的是虚函数指针，不是虚函数，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。

子类对象赋值给父类对象也可以实现切片，为什么实现不了多态？

对象切片的时候，子类只会拷贝成员给父类对象，不会拷贝虚表指针；如果拷贝虚表指针就混乱了，父类对象中到底是父类的虚表指针还是子类的虚表指针都不确定；那后面再用父类指针指向该父类对象时，调用虚函数是父类的还是子类的也是不确定的。

4.3 动态绑定与静态绑定

1. 静态绑定又称为前期绑定(早绑定)，在程序编译期间确定了程序的行为，也称为静态多态，比如：函数重载。
2. 动态绑定又称后期绑定(晚绑定)，是在程序运行期间，根据具体拿到的类型确定程序的具体行为，调用具体的函数，也称为动态多态。

五、单继承和多继承关系的虚函数表

5.1 单继承中的虚函数表

class Base 
{ 
public :virtual void func1() { cout<<"Base::func1" <<endl;}virtual void func2() {cout<<"Base::func2" <<endl;}
private :int a;
};class Derive :public Base 
{ 
public :virtual void func1() {cout<<"Derive::func1" <<endl;}virtual void func3() {cout<<"Derive::func3" <<endl;}virtual void func4() {cout<<"Derive::func4" <<endl;}
private :int b;
};int main()
{Derive d;Base b;return 0;
}

观察下图中的监视窗口中我们发现看不见func3和func4。这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数，也可以认为是他的一个小bug。那么我们如何查看d的虚表呢？下面我们使用代码打印出虚表中的函数。

通过内存窗口可以看到虚表中存在第三个地址，如下图：

 思路：取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针
// 1.先取b的地址，强转成一个int*的指针
// 2.再解引用取值，就取到了b对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针
// 3.再强转成VFPTR*，因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。
// 4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表
// 5.需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最后面没有放nullptr，
// 导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的-生成-清理解决方案，再编译就好了。
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i){printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);VFPTR f = vTable[i];f();}cout << endl;
}int main()
{Derive d;Base b;VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);PrintVTable(vTableb);VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);PrintVTable(vTabled);return 0;
}

5.2 多继承中的虚函数表

class Base1 
{
public:virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; }
private:int b1;
};class Base2 
{
public:virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; }
private:int b2;
};class Derive : public Base1, public Base2 
{
public:virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
private:int d1;
};typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i){printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);VFPTR f = vTable[i];f();}cout << endl;
}
int main()
{Derive d;VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);//PrintVTable(vTableb1);VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1)));//PrintVTable(vTableb2);return 0;
}

可以看到多继承下的d对象中有两张虚表，分别是继承于Base1和Base2，并且我们发现两张虚表中都没有func3的函数地址。

同样我们可以取出这两个虚表的地址并且调用虚表中的函数，结果如下图：可以得出结论多继承派生类的未重写的虚函数放在第一个继承基类部分的虚函数表中。