【C++基础】多态

C++ 多态分类及实现：

• 重载多态（Ad-hoc Polymorphism，编译期）：函数重载、运算符重载
• 子类型多态（Subtype Polymorphism，运行期）：虚函数
• 参数多态性（Parametric Polymorphism，编译期）：类模板、函数模板
• 强制多态（Coercion Polymorphism，编译期/运行期）：基本类型转换、自定义类型转

一、静态多态（编译期/早绑定）

函数重载

class A{
public:
    void do(int a);
    void do(int a, int b);
};

二、动态多态（运行期期/晚绑定）

• 虚函数：用 virtual 修饰成员函数，使其成为虚函数
• 动态绑定：当使用基类的引用或指针调用一个虚函数时将发生动态绑定（基类的指针指向派生类对象）

注意：

• 可以将派生类的对象赋值给基类的指针或引用，反之不可
• 普通函数（非类成员函数）不能是虚函数
• 静态函数（static）不能是虚函数
• 构造函数不能是虚函数（因为在调用构造函数时，虚表指针并没有在对象的内存空间中，必须要构造函数调用完成后才会形成虚表指针）
• 内联函数不能是表现多态性时的虚函数，（内联是在编译期建议编译器内联，而虚函数的多态性在运行期，编译器无法知道运行期调用哪个代码，因此虚函数表现为多态性时（运行期）不可以内联）

class Shape{                     // 形状类
public:
    virtual double calcArea(){
        ...
    }
    virtual ~Shape();
};
class Circle : public Shape     // 圆形类
{
public:
    virtual double calcArea();
    ...
};
class Rect : public Shape       // 矩形类
{
public:
    virtual double calcArea();
    ...
};
int main()
{   
    //基类的指针指向派生类对象
    Shape * shape1 = new Circle(4.0);
    Shape * shape2 = new Rect(5.0, 6.0);
    shape1->calcArea();         // 调用圆形类里面的方法
    shape2->calcArea();         // 调用矩形类里面的方法
    delete shape1;
    shape1 = nullptr;
    delete shape2;
    shape2 = nullptr;
    return 0;
}

三、虚函数的延伸内容

1、虚函数和纯虚函数的区别

纯虚函数是一种特殊的虚函数，在基类中不能对虚函数给出有意义的实现，而把它声明为纯虚函数，它的实现留给该基类的派生类去做。

• 虚函数和纯虚函数可以定义在同一个类中，含有纯虚函数的类被称为抽象类，而只含有虚函数的类不能被称为抽象类。

• 虚函数可以被直接使用，也可以被子类重载以后，以多态的形式调用，而纯虚函数必须在子类中实现该函数才可以使用，因为纯虚函数在基类有声明而没有定义。

• 虚函数和纯虚函数都可以在子类中被重载，以多态的形式被调用。

• 虚函数和纯虚函数通常存在于抽象基类之中，被继承的子类重载，目的是提供一个统一的接口。

• 虚函数的定义形式：virtual{};纯虚函数的定义形式：virtual { } = 0;在虚函数和纯虚函数的定义中不能有static标识符，原因很简单，被static修饰的函数在编译时要求前期绑定,然而虚函数却是动态绑定，而且被两者修饰的函数生命周期也不一样。

2、虚函数指针和虚函数表

虚函数指针：在含有虚函数类的对象中，指向虚函数表，在运行时确定。
虚函数表：在程序只读数据段（.rodata section，见：目标文件存储结构），存放虚函数指针，如果派生类实现了基类的某个虚函数，则在虚表中覆盖原本基类的那个虚函数指针，在编译时根据类的声明创建。

3、虚继承

虚继承用于解决多继承条件下的菱形继承问题（浪费存储空间、存在二义性）。

底层实现原理与编译器相关，一般通过虚基类指针和虚基类表实现，每个虚继承的子类都有一个虚基类指针（占用一个指针的存储空间，4字节）和虚基类表（不占用类对象的存储空间）（需要强调的是，虚基类依旧会在子类里面存在拷贝，只是仅仅最多存在一份而已，并不是不在子类里面了）；当虚继承的子类被当做父类继承时，虚基类指针也会被继承。

实际上，vbptr 指的是虚基类表指针（virtual base table pointer），该指针指向了一个虚基类表（virtual table），虚表中记录了虚基类与本类的偏移地址；通过偏移地址，这样就找到了虚基类成员，而虚继承也不用像普通多继承那样维持着公共基类（虚基类）的两份同样的拷贝，节省了存储空间。

4、抽象类、接口类、聚合类

• 抽象类：含有纯虚函数的类。纯虚函数在基类有声明而没有定义，所以这种类不能直接生成对象，而只有被继承，并重写其虚函数后，才能使用。抽象类被继承后，子类可以继续是抽象类，也可以是普通类。
  抽象类有如下几个特点：
  1）抽象类只能用作其他类的基类，不能建立抽象类对象。
  2）抽象类不能用作参数类型、函数返回类型或显式转换的类型。
  3）可以定义指向抽象类的指针和引用，此指针可以指向它的派生类，进而实现多态性
• 接口类：仅含有纯虚函数的抽象类
• 聚合类：用户可以直接访问其成员，并且具有特殊的初始化语法形式。满足如下特点：
• 所有成员都是 public
• 没有定义任何构造函数
• 没有类内初始化
• 没有基类，也没有 virtual 函数

5、虚继承和虚函数

1、相同之处：都利用了虚指针（均占用类的存储空间）和虚表（均不占用类的存储空间）
2、不同之处：

虚继承：

• 虚基类依旧存在继承类中，只占用存储空间
• 虚基类表存储的是虚基类相对直接继承类的偏移

虚函数：

• 虚函数不占用存储空间
• 虚函数表存储的是虚函数地址

五、关于内联函数

内联函数是一种以空间换时间的策略，可以减少调用函数的额外时间开销，但将各处内联函数展开增加了实际代码量，从而也就增加了空间的开销
函数设定为内联，这只是个请求，而编译器可以忽略它。编译器可能会展开内联函数调用，也可能不展开

虚函数（virtual）可以是内联函数（inline）吗？

• 虚函数可以是内联函数，内联是可以修饰虚函数的，但是当虚函数表现多态性的时候不能内联。
• 内联是在编译期建议编译器内联，而虚函数的多态性在运行期，编译器无法知道运行期调用哪个代码，因此虚函数表现为多态性时（运行期）不可以内联。
• inline virtual 唯一可以内联的时候是：编译器知道所调用的对象是哪个类（如 Base::who()），这只有在编译器具有实际对象而不是对象的指针或引用时才会发生。

虚函数内联使用

#include   
using namespace std;
class Base{
public:
	inline virtual void who(){
		cout << "I am Base\n";
	}
	virtual ~Base() {}
};
class Derived : public Base{
public:
	inline void who()  // 不写inline时隐式内联
	{
		cout << "I am Derived\n";
	}
};

int main()
{
	// 此处的虚函数 who()，是通过类（Base）的具体对象（b）来调用的，编译期间就能确定了，所以它可以是内联的，但最终是否内联取决于编译器。 
	Base b;
	b.who();

	// 此处的虚函数是通过指针调用的，呈现多态性，需要在运行时期间才能确定，所以不能为内联。  
	Base *ptr = new Derived();
	ptr->who();

	// 因为Base有虚析构函数（virtual ~Base() {}），所以 delete 时，会先调用派生类（Derived）析构函数，再调用基类（Base）析构函数，防止内存泄漏。
	delete ptr;
	ptr = nullptr;

	system("pause");
	return 0;
}