C++多态详解

1.多态概念

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。比如manager继承了user。manager有系统所有权限，user有系统部分权限。

2.多态定义及实现

<1> 多态的构成条件

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>虚函数
即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。例：

3.虚函数的重写

(1)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)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。
(虚函数的重写允许，两个都是虚函数或者父类是虚函数，再满足三同，就构成重写),一般我们两个都写两个。
例：

class User {
public:
	virtual void Power() { cout << "部分权限" << endl; }
};

class Manager : public User {
public:
	子类中满足三同(函数名、参数、返回值)虚函数，叫做重写(覆盖)
	virtual void Power() { cout << "所有权限" << endl; }
};

 构成多态，跟u的类型没有关系，传的哪个类型的对象，调用的就是这个类型的虚函数 -- 跟对象有关
 不构成多态，调用就是u类型的函数 -- 跟类型有关
void Func(User& u)
{
	u.Power();
}

int main()
{
	User ur;
	Manager mg;
	Func(ur);
	Func(mg);
	return 0；
}

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。
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。

析构函数重写(加virtual)的好处(防止内存泄漏)，我们通过一组代码来看一下。

class User {
public:
	~User () { cout << "~User ()" << endl; }
};

class Manager : public User {
public:
	~Manager () { cout << "~Manager ()" << endl; }
};

int main()
{
	/普通对象，析构函数是否虚函数,是否完成重写，都可以正确调用
	// User p;
	// Manager s;

	/动态申请的对象，如果给了父类指针管理，那么需要析构函数是虚函数
	User * p1 = new User ;   // operator new + 构造函数
	/父类指针指向父类对象
	
	User * p2 = new Manager ;
	/父类指针指向子类对象
	// 析构函数 + operator delete

	delete p1;   // p1->destructor() 
	delete p2;   // p2->destructor()
	return 0；
}

通过运行上述代码我们可以得到结论：
1.普通对象，析构函数是重写(虚函数)，析构函数都可以正确调用。

2.动态申请的对象，析构函数不是重写(虚函数)时，资源不能构完全释放造成内存泄漏。

析构函数是重写(虚函数)，析构函数才可以正确调用。

(2)override 和 final
<1> final：修饰类，表示该类不能被继承。

修饰虚函数，表示该虚函数不能再被继承。

<2> override 检查子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。

(3)重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
a、重载：两个函数在同一作用域，函数名相同，参数不同
b、覆盖(重写)： 两个函数分别在基类和派生类的作用域、两个函数必须是虚函数、函数名/参数/返回值都必须相同(协变除外)
c、隐藏(重定义)：两个函数分别在基类和派生类的作用域、函数名相同、两个基类和派生类同名的函数不构成重写就构成重定义。

4.抽象类

<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。
例：

<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。

5.多态的原理

<1>虚函数表
我们先来看一道题，sizeof(A) 是多少?

正常来说的话sizeof (A) 的大小应该是一个int类型也就是4。但是我们到编译器上面跑发现sizeof (B) = 8,为啥呢?其实除了_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。

<2>虚表的打印

typedef void (*VF_PTR)();
void PrintfVFTable(VF_PTR* table)
{
	for (int i = 0; table[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf("vft[%d]:%p  ", i, table[i]);
		table[i]();
	}
}

<3> 派生类的虚表中都放了写什么呢？
我们通过一组代码来测试一下：

class apple {
public:
	virtual void func1() { cout << "apple::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "apple::func2" << endl; }
	void func4(){ cout << "apple::func4" << endl; }
private:
	int b1;
};

class orange {
public:
	virtual void func1() { cout << "orange::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "orange::func2" << endl; }
private:
	int b2;
};

class juice : public apple, public orange {
public:
	virtual void func1() { cout << "juice::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "juice::func3" << endl; }
private:
	int d1;
};

int main()
{
	//打印最终目的取到虚表的函数地址-->第一个虚表就是前四个字节
	apple b;
	//PrintfVFTable((VF_PTR*)(*(int*)&b));
	PrintfVFTable((VF_PTR*)*(void* *)&b);
	cout << endl;
	
	juice d;
	PrintfVFTable((VF_PTR*)*(int*)&d); //第一个虚表打印

	cout << endl;
	
	//PrintfVFTable((VF_PTR*)*(void**)((char*)&d + sizeof(Base3))); //第二个虚表打印
	orange* p = &d; //利用切片
	PrintfVFTable((VF_PTR*)*((void**)(p)));
	return 0;
}

打印结果：

通过打印结果，我们可以发现：
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，一部分是父类继承下来的成员，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juice::Func1，所以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，Func4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，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：
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。

虚函数是存在哪里的呢？虚表指针存放在哪里的呢？虚表又是存在哪里的呢?
1.注意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。
2.虚表指针是在对象中的，对象在栈中则虚表指针就在栈中，对象在静态区虚表指针就在栈中。
3.虚表是存放在常量区的。可以通过下面代码验证一下。

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(4);
	printf("堆:%p\n", p);

	int a = 0;
	printf("栈:%p\n", &a);

	static int b = 0;
	printf("数据段:%p\n", &b);

	const char* str = "aaaaaaa";
	printf("常量区:%p\n", str);

	printf("代码段:%p\n", &apple::func1);

	apple bs;
	printf("虚函数表:%p\n", *((int*)&bs));
	return 0;
}

运行结果：

由此可以看出，虚表是存放在常量区的。

<4> 多态原理

1. 观察上图的红色箭头我们看到，u是指向user对象时，u->Power在ur的虚表中找到虚函数是
   User::Power。
2. 观察上图的蓝色箭头我们看到，u是指向mg对象时，u->Power在mg的虚表中找到虚函数是Manger::Power。
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。
   总结：
   1.多态调用，在编译时，不能确定调用的是哪个函数， 运行时，去p指向对象的虚表中
   找到虚函数的地址。
4. 构成多态，跟u的类型没有关系，传的哪个类型的对象，调用的就是这个类型的虚函数 – 跟对象有关。不构成多态，调用就是u类型的函数 – 跟类型有关。