【C++进阶】第二节：多态

1、多态的概念

1.1 概念

多态的概念：通俗来说，就是多种形态。具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。

2、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。比如 Student 继承了Person。Person 对象买票全价，Student 对象买票半价。

继承中构成多态有两个条件：

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

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 虚函数的重写

虚函数的重写（覆盖）：派生类中有一个跟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、函数名字、参数列表完全相同），称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。

// 多态的条件：
// 1. 虚函数重写
// 2. 基类的指针或者引用调用虚函数
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;}// 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，但是这种写法不是很规范/*void BuyTicket(){cout << "买票-半价" << endl;}*/
};void Func(Person& p)
{p.BuyTicket();
}int main()
{Person ps;Func(ps);Student st;Func(st);return 0;
}

虚函数重写的两个例外：

• 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。

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;}
};

• 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;// 析构是虚函数，才能正确调用析构函数// 先调用Person::~Person()析构函数，然后自动使用operator delete来释放p1指向的内存delete p1;// 先调用Student::~Student()析构函数，再调用基类Person::~Person()析构函数。最后，自动使用operator delete来释放p2指向的内存delete p2;return 0;
}

注意：

普通调用：调用函数的对象类型决定调的哪个函数

多态调用：调用指针或者引用指向的对象。指向母类调用母类的函数，指向女类调用女类的函数

2.4 C++11 override和final

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。

• final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

// final 修饰类，不能被继承
// final 修饰虚函数，不能被重写
class Car
{
public:virtual void Drive() final{}
};class Benz : public Car
{
public:// 报错/*virtual void Drive() {cout << "Benz-舒适" << endl;}*/
};

• 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

class Car
{
public:virtual void Drive(){}
};class Benz :public Car 
{
public:virtual void Drive() override {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};

2.5 重载、重写（覆盖）、隐藏（重定义）的对比

3、抽象类

3.1 概念

在虚函数的后面写上 =0，则这个函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（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，另外纯虚函数更体现出了接口继承。

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();
}

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。

4、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;
};

通过观察测试我们发现b对象是 8bytes，除了_b成员，还多一个 __vfptr 放在对象的前面，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针（v代表 virtual，f代表 function）。一个含有虚函数的类中都至少都有一个虚函数表指针，因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表。

class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Base::Func1()" << endl;}virtual void Func2(){cout << "Base::Func2()" << endl;}void Func3(){cout << "Base::Func3()" << endl;}
private:int _b = 1;
};class Derive : public Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Derive::Func1()" << endl;}
private:int _d = 2;
};int main()
{Base b;Derive d;return 0;
}

通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：

1. 派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象由两部分构成，一部分是基类继承下来的成员，另一部分是自己的成员。
2. 基类b对象和派生类d对象虚表是不一样的，这里我们发现 Func1 完成了重写，所以d的虚表中存的是重写的 Derive::Func1，虚函数的重写也叫作覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。
3. 另外 Func2 继承下来后是虚函数，所以放进了虚表，Func3 也继承下来了，但是不是虚函数，所以不会放进虚表。
4. 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。
5. 总结一下派生类的虚表生成：

• 先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中
• 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
• 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。

虚函数存在哪的？虚表存在哪的？

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。那么虚表存在哪的呢？vs下是存在常量区的。

// 验证虚表在vs下存在代码段
class Base {
public:virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
private:int a;
};void func()
{cout << "void func()" << endl;
}int main()
{Base b1;Base b2;static int a = 0;int b = 0;int* p1 = new int;const char* p2 = "hello world";printf("栈:%p\n", &b);printf("堆:%p\n", p1);printf("静态区:%p\n", &a);printf("常量区:%p\n", p2);printf("虚表:%p\n", *((int*)&b1));printf("虚函数地址:%p\n", &Base::func1);// 函数名就是函数的地址（成员函数比较特殊，要加&）printf("普通函数地址:%p\n", func);return 0;
}

 

4.2 多态的原理

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; }
};void Func(Person& p)
{p.BuyTicket();
}int main()
{Person Mike;Func(Mike);Student Johnson;Func(Johnson);return 0;
}

1. 观察下图的红色箭头我们看到，p是指向 mike 对象时，p->BuyTicket 在 mike 的虚表中找到虚函数是 Person::BuyTicket。

2. 观察下图的蓝色箭头我们看到，p是指向 johnson 对象时，p->BuyTicket 在 johson 的虚表中找到虚函数是 Student::BuyTicket。

3. 这样就实现出了不同对象去完成同一行为时，展现出不同的形态。

4. 反过来思考我们要达到多态，有两个条件，一个是虚函数覆盖，一个是对象的指针或引用调用虚函数。

5. 多态调用，是运行起来以后到对象的中查找的。普通调用，是在编译时确定的。

注意：

如果是派生类对象赋值给基类对象不能实现多态，为什么？因为派生类的成员会拷贝给基类，但是不会拷贝虚函数表指针。

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。

​​​​​​​5、单继承和多继承关系的虚函数表

需要注意的是在单继承和多继承关系中，下面我们去关注的是派生类对象的虚表模型，因为基类的虚表模型前面我们已经看过了，没什么需要特别研究的。

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;
};

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。

// 虚函数的地址一定会被放进类的虚函数表
// 打印虚表
typedef void (*VFUNC)();
//void PrintVFT(VFUNC a[])
void PrintVFT(VFUNC* a)
{for (size_t i = 0; a[i] != 0; i++){printf("[%d]:%p->", i, a[i]);VFUNC f = a[i];f(); // 直接用函数指针调用这个函数//(*f)(); // 函数指针解引用调用}printf("\n");
}int main()
{void (*f1)(); // 定义函数指针VFUNC f2; // typedef后可以这样定义Base b;PrintVFT((VFUNC*)(*((int*)&b)));Derive d;X x;PrintVFT((VFUNC*)(*((int*)&d)));PrintVFT((VFUNC*)(*((int*)&x)));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 (*VFUNC)();
void PrintVFT(VFUNC* a)
{for (size_t i = 0; a[i] != 0; i++){printf("[%d]:%p->", i, a[i]);VFUNC f = a[i];f();}printf("\n");
}
int main()
{Derive d;PrintVFT((VFUNC*)(*(int*)&d));//PrintVFT((VFUNC*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1))));Base2* ptr = &d;PrintVFT((VFUNC*)(*(int*)ptr));return 0;
}

 

注意：

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。

6、继承和多态常见的面试问题

6.1 概念查考

1. ( )是面向对象程序设计语言中的一种机制。这种机制实现了方法的定义与具体的对象无关，而对方法的调用则可以关联于具体的对象。

A: 继承 B: 模板 C: 对象的自身引用 D: 动态绑定

2. 面向对象设计中的继承和组合，下面说法错误的是？（ ）

A：继承允许我们覆盖重写母类的实现细节，母类的实现对于女类是可见的，是一种静态复用，也称为白盒复用

B：组合的对象不需要关心各自的实现细节，之间的关系是在运行时候才确定的，是一种动态复用，也称为黑盒复用

C：优先使用继承，而不是组合，是面向对象设计的第二原则

D：继承可以使女类能自动继承母类的接口，但在设计模式中认为这是一种破坏了母类的封装性的表现

3. 以下关于纯虚函数的说法，正确的是( )

A：声明纯虚函数的类不能实例化对象

B：声明纯虚函数的类是虚基类

C：子类必须实现基类的纯虚函数

D：纯虚函数必须是空函数

4. 关于虚函数的描述正确的是( )

A：派生类的虚函数与基类的虚函数具有不同的参数个数和类型

B：内联函数不能是虚函数

C：派生类必须重新定义基类的虚函数

D：虚函数可以是一个static型的函数

5. 关于虚表说法正确的是（ ）

A：一个类只能有一张虚表

B：基类中有虚函数，如果子类中没有重写基类的虚函数，此时子类与基类共用同一张虚表

C：虚表是在运行期间动态生成的

D：一个类的不同对象共享该类的虚表

6. 假设A类中有虚函数，B继承自A，B重写A中的虚函数，也没有定义任何虚函数，则（ ）

A：A类对象的前4个字节存储虚表地址，B类对象前4个字节不是虚表地址

B：A类对象和B类对象前4个字节存储的都是虚基表的地址

C：A类对象和B类对象前4个字节存储的虚表地址相同

D：A类和B类虚表中虚函数个数相同，但A类和B类使用的不是同一张虚表

7. 下面程序输出结果是什么? （）

class A
{
public:A(const char* s){cout << s << endl;}~A(){}
};class B : virtual public A
{
public:B(const char* s1, const char* s2):A(s1){cout << s2 << endl;}
};class C : virtual public A
{
public:C(const char* s1, const char* s2):A(s1){cout << s2 << endl;}
};class D : public B, public C
{
public:D(const char* s1, const char* s2, const char* s3, const char* s4):B(s1, s2), C(s1, s3), A(s1){cout << s4 << endl;}
};

A：class A class B class C class D        B：class D class B class C class A

C：class D class C class B class A        D：class A class C class B class D

8. 多继承中指针偏移问题？下面说法正确的是( )

class Base1 
{ 
public: int _b1; 
};class Base2 
{ 
public:int _b2; 
};class Derive : public Base1, public Base2 
{ 
public: int _d; 
};int main() 
{Derive d;Base1* p1 = &d;Base2* p2 = &d;Derive* p3 = &d;return 0;
}

A：p1 == p2 == p3        B：p1 < p2 < p3        C：p1 == p3 != p2        D：p1 != p2 != p3

9. 以下程序输出结果是什么（）

class A
{
public:virtual void func(int val = 1){ std::cout<<"A->"<< val <<std::endl;}virtual void test(){ func();}
};class B : public A
{public:void func(int val = 0){ std::cout<<"B->"<< val <<std::endl; }
};int main(int argc ,char* argv[])
{B* p = new B;p->test();return 0;
}

A: A->0        B: B->1        C: A->1        D: B->0        E: 编译出错        F: 以上都不正确

参考答案：
1. D   

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2. C   

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3. A   

B.包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫接口类）

---

4. B

---

5. D  

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6. D   

虚基表和虚表不是一种：

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7. A 

• 构造函数先初始化列表再函数体，最后一个打印的是 class D
• 同一继承链中，任何虚基类只会在最终派生类中被构造一次，即使多个路径上都存在对它的继承。A是B和C的虚基类。
• 构造顺序：虚基类总在派生类进行其它任何初始化之前被初始化，即使在初始化列表中没有明确调用它，派生类构造函数会遵循：虚拟基类 -> 非虚基类 -> 自身成员。
• 当创建D类型的对象时，构造过程如下：虚基类A的构造函数被调用 -> B的构造函数被调用 -> C的构造函数被调用 -> D的构造函数的主体执行。

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8. C

虽然 p1 和 p3 指向相同的位置，但是访问的内容不一样

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9. B

p->test() 是一个普通调用，this->func() 是多态调用，会调用B类中的 func() 函数。

6.2 问答题

​​​​​什么是多态

• 静态多态：通过函数重载和运算符重载实现，在编译时确定调用哪个函数
• 动态多态：1、基类的指针或者引用调用虚函数 2、虚函数完成重写，在运行时确定调用哪个函数。指向谁就调用谁的虚函数，实现多种形态

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什么​​​​​​​是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？

• 重载：同一作用域内，函数名相同但参数列表不同（参数类型、数量、顺序），是静态多态的一种形式。
• 重写：派生类重新定义基类中已经存在的虚函数，保持函数名、参数列表完全一致。重写的函数在运行时被调用时，会调用派生类的实现。即动态多态。
• 重定义：派生类定义了与基类同名但不是虚函数的成员函数或变量，会隐藏基类的成员。在这种情况下，调用基类的成员需要显式地使用作用域解析运算符。

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多态​​​​​​​的实现原理？参考课件

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inline 函数可以是虚函数吗？

答：可以，普通调用，inline 起作用；多态调用，inline 不起作用

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静态成员可以是虚函数吗？

答：不能，编译报错，因为静态成员函数没有 this 指针，可以指定类域调用，无法构成多态

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构造函数可以是虚函数吗？

答：不能，因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始化的。虚函数多态调用，要到虚表中找，但是虚表指针都还没初始化。

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析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？

答：可以，并且最好把基类的析构函数定义成虚函数。

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对象访问普通函数快还是虚函数更快？

答：首先如果是普通调用，是一样快的。如果是多态调用，则普通函数快，因为构成多态，运行时调用虚函数需要到虚函数表中去查找。

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虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？

答：虚函数表是在编译阶段就生成的，一般情况下存在常量区。

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什么是抽象类？抽象类的作用？

答：参考（3、抽象类）。抽象类强制重写了虚函数，另外抽象类体现出了接口继承关系。