C++多态 及底层如何实现
c++多态
- 一，多态
- 1.虚函数
- 2.虚函数的重写
- 3.多态的简单举例
- 4.构成多态的充分条件
- 5.探索多态的底层---虚表
- 5.1什么是虚表
- 5.2虚表（重点！）
- 5.3虚表存储在什么地方？
- 关于多态里面一些需要注意的地方（次重点！）
- 7.协变
- 8.纯虚函数和抽象类
一，多态
多态是c++面向对象三大特性之一，关于什么是多态，我们需要先来了解一下虚函数和重写。
1.虚函数
在类的成员函数前面加上virtual关键字，就构成了虚函数。
2.虚函数的重写
当在子类定义一个与父类完全相同的虚函数时，我们就称，子类的虚函数重写（覆盖）了父类的虚函数。
重写（也称覆盖），想要构成重写，需要如下几个条件：
- 不在同一个作用域（分别在父类和子类）
- 函数名相同，参数相同，返回值相同（协变除外）
- 基类函数必须带有virtual关键字
- 访问限定符不限
重写是专门为多态而生的，至于虚函数重写能够实现什么功能，我们在第三点多态的简单举例中详细明。
3.多态的简单举例
下面是实现多态的例子：
#include
#include
using namespace std;
class Person//父类
{
public:
virtual Person& BuyTicket()
{
cout << "买票全价" << endl;
return *this;
}
virtual ~Person()
{
cout << "~Person()" << endl;
}
};
class Student : public Person//子类
{
public:
virtual Student& BuyTicket() //重写父类的虚函数
{
cout << "买票半价" << endl;
return *this;
}
~Student()
{
// free
cout << "~Student()" << endl;
}
};
void Func(Person& p)
{
// 多态调用:对象有关，指向哪个对象，调用就是谁的虚函数
// 1.对象父类指针/引用
// 2.重写的虚函数
p.BuyTicket();
}
int main()
{
Person p;
Student s;
// 普通调用：跟类型有关
p.BuyTicket();
s.BuyTicket();
//多态调用：跟传入对象有关
Func(p);
Func(s);
system("pause");
return 0;
}
在上面的代码中，子类student继承了父类people，且父子类中都有虚函数BuyTicket，构成虚函数重载。又在类外定义了一个函数Func，在里面同样调用BuyTicket。
让我们运行一下：
我们发现，前两句输出来此与对象p和对象s的成员函数调用，后两次输出来自func函数。
这里就需要重点注意一下func函数了，func函数的参数是一个父类对象的引用，但是如果给他传一个子类对象，他会调用子类中的BuyTicket函数，输出“买票半价”，这就是多态，“一类代码，多种形态”。
当使用基类的指针或引用调用重写的虚函数时，使用父类对象调用调的就是父类的虚函数，子类对象调用的就是子类的虚函数。
4.构成多态的充分条件
1.函数的参数一定是父类的指针或引用
2.子类一定要重写父类的虚函数
这两个条件缺一不可，少任意一个都不能构成多态。
5.探索多态的底层—虚表
5.1什么是虚表
虚函数表是通过一块连续内存来存储虚函数的地址，这张表解决了继承，虚函数（重写）的问题，在有虚函数的对象实例中都存在一张虚函数表，虚函数表就像一张地图，指明了实际应该调用的虚函数。
#include
#include
using namespace std;
class Person//父类
{
public:
virtual Person& BuyTicket()
{
cout << "买票全价" << endl;
return *this;
}
virtual ~Person()
{
cout << "~Person()" << endl;
}
};
class Student : public Person//子类
{
public:
virtual Student& BuyTicket() //重写父类的虚函数
{
cout << "买票半价" << endl;
return *this;
}
~Student()
{
// free
cout << "~Student()" << endl;
}
};
void Func(Person& p)
{
// 多态调用:对象有关，指向哪个对象，调用就是谁的虚函数
// 1.对象父类指针/引用
// 2.重写的虚函数
p.BuyTicket();
}
int main()
{
Person p;
Student s;
// 普通调用：跟类型有关
p.BuyTicket();
s.BuyTicket();
//多态调用：跟传入对象有关
Func(p);
Func(s);
system("pause");
return 0;
}
为了更方便观察虚表，在上面的代码中，我向父类person中多定义一个虚函数vfunc，该函数没有进行任何操作。
在父类person和子类student中，都有一个变量_vfptr存储在头部，这是一个数组指针（虚表指针），所指的数组，就是我们说的虚表。
由上面的图片可以看出，虚表中依次存储了各个虚函数的地址，且存放的顺序和代码中定义的虚函数的顺序一致。当进行多态调用时，编译器根据传入对象的类别，找到对应的vfptr（虚表指针），再查看你要调用的函数在类中定义的位置，来找到该虚函数在虚表中存储的位置，实现调用。
5.2虚表（重点！）
为了更加深入的认识虚表，我又多创建了一个对象s1，它和s都是student类的实例化。
我们根据上图可以看到：
-
s和s1都继承了p，但他两个的vfptr与p的vfptr值不同，所以得出结论：编译器会根据类的不同而分别为2种类各自构建一个虚表。即虚表是从属于类的！
-
而同一类的s和s1，他们的vfptr值相同，且对应虚函数的地址也相同，所以得出结论：虚表指针是从属于对象的。也就是说，如果一个类含有虚表，则该类的所有对象都会含有一个虚表指针，并且该虚表指针指向同一个虚表。
-
再看p和s，s继承p，s中重写了虚函数Buyticket，而不重写虚函数vfunc，在监视中，我们发现：s类中的虚函数Buyticket地址与p中的不同，而虚函数vfunc地址与p中的相同，所以得出结论：当子类继承父类的虚函数，不进行重写的话，虚函数地址不变，而如果重写（覆盖），那么就会改变对应虚函数的地址，分配一块新内存存储重写后的虚函数，这很像写时拷贝。这也说明了为什么重写又叫覆盖（新的虚函数地址覆盖了虚表中原有的父类虚函数地址）。
5.3虚表存储在什么地方？
虚表在编译时就开始创建，构造函数实际是初始化_vfptr指向的位置。也就是说虚表不可能放在堆，栈中的。虚表存放在代码段和数据段都可以，都有可能。
一般虚表放在静态区（数据段中）。
关于多态里面一些需要注意的地方（次重点！）
- 子类重写父类的虚函数实现多态，要求函数名，参数列表，返回值完全相同。（协变除外）
- 父类中定义了虚函数，在子类中该虚函数始终保持虚函数的特性。
- 只有类的成员函数才能被定义为虚函数。
- 各种类型的函数能否被定义成虚函数：
4.1 静态成员函数：不能！
静态函数不需要创建对象就可以调用，而虚表要进行初始化后，虚函数才能调用，所以没有必要；静态成员函数属于一个类而非某一对象,没有this指针,它无法进行对象的判别。
4.2 构造函数：不能!
上面提到过，虚表是在构造函数中进行初始化的，你把构造函数弄成虚函数，此时虚表里还什么东西都没有呢，怎么找到他的地址呢，故不能定义成虚函数。
4.3 赋值运算符重载函数 ：不能！
赋值运算符重载operator=虽然在定义上可以设为虚函数，但是最好不要这么做，容易在使用时引起混淆。
4.4内联函数 ：不能！
我们知道内联函数的优势是在指定位置直接展开代码，省去了创建栈帧的开销，但这也同时使得内联函数没有地址，无法放进虚标内。
4.5析构函数：能！
最好把父类的析构函数声明为虚函数，子类析构和父类析构尽管不同名，但是在编译后实际会改成一个名为destructor的函数，构成同名函数。
因为在某些情况下，如果不定义成虚函数，可能会发生错误，比如：
Student s;
Person *p=s;//父类指针可以指向子类对象，子类对象发生切片行为
delete p;//此时对p调用析构函数，如果析构函数不是虚函数，则调用的是父类的析构，没有释放全部空间
//倘若定义成虚函数，则调用的是子类的析构函数，空间全部释放
- 如果在类外定义虚函数，只能在声明函数时加上virtual，类外定义函数时不能加virtual。
- 不要在构造函数和析构函数中调用虚函数，在构造函数和析构函数中，对象是不完整的，可能会发生未定义的行为。
7.协变
上面谈到重写的条件时说到，必须函数名，参数列表，返回值都一样才能构成重写，但是协变除外。
协变是一种特殊的重写方式，他可以允许返回值不同，但是返回的一定要是父类的指针或引用。
8.纯虚函数和抽象类
在成员函数的形参后面写上=0，则成员函数为纯虚函数，包含纯虚函数的类叫抽象类（也叫接口类），抽象类不能实例化对象，纯虚函数在子类中重新定义后，子类才能实例化出对象。
class Person
{
virtual void Display() = 0;//纯虚函数
protected:
string _name;
};
class :Student : public Person//抽象类会强制让子类重写他的纯虚函数，否则子类就无法创建
{};