C++ | 多态
目录
前言
一、多态的概念
二、多态的定义与使用
1、多态的构成条件
2、虚函数
3、虚函数的重写（覆盖）
4、虚函数重写的两个例外
（1）协变
（2）析构函数的重写
5、子类的指针或者引用调用
6、C++11的override与final关键字
7、重载、重定义（隐藏）、重写（覆盖）之间的对比
三、抽象类
四、多态的原理
1、虚函数表
2、虚函数表的打印
3、多态的原理
4、静态绑定与动态绑定
五、单继承和多继承关系的虚函数表
1、单继承中的虚函数表
2、多继承中的虚函数表
前言
我们都知道类的三大特性分别为类的封装、继承与多态；前面我们介绍过了类的封装与继承，本章主要介绍类的多态这一性质，其实类的多态这一性质基于类的继承，可以说没有类的继承也就没有类的多态；
一、多态的概念
所谓多态即多种形态，指不同的对象取调用一个函数（看起来像一个函数）会产生多种不同的效果；举个例子，在我们日常通勤中，我们可能会乘坐公共汽车、高铁等等交通工具；但是当不同人去完成买票这一动作时，会产生不同的效果；学生去买票会以学生票的价格卖给学生，成人去买票会以成人的价格卖给成人，我们今天学的多态也是如此；
二、多态的定义与使用
1、多态的构成条件
我们想构成一个多态，必须有以下条件（缺一不可）；
1、虚函数的重写
2、必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "Person BuyTicket" << endl;
}
};
class Student : public Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "Student BuyTicket" << endl;
}
};
void func(Person& p)
{
p.BuyTicket();
}
int main()
{
Person p;
Student stu;
func(p);
func(stu);
return 0;
}
上述代码实现了多态，该代码仅仅只是为了让大家看看多态，下面会介绍相关概念；
2、虚函数
虚函数即为用关键字virtual修饰的成员函数；如上面的BuyTicket函数便是虚函数；
class A
{
public:
virtual void func() {}; // 虚函数
};3、虚函数的重写（覆盖）
虚函数的重写，也叫覆盖，是构成多态的条件之一，子类中有一个与父类完全相同的虚函数，我们就称子类对该虚函数进行了重写（覆盖）；这里的完全相同指的是返回值、函数参数、函数名相同，其中函数的参数只要参数类型相同即可，形参名可以不相同；
class A
{
public:
// 虚函数
virtual void func(int a1 = 1, double d1 = 2.0)
{
cout << "A: " << endl;
cout << a1 << ": " << d1 << endl;
};
};
class B : public A
{
public:
// 虚函数
virtual void func(int a2 = 10, double d2 = 20.0)
{
cout << "B: " << endl;
cout << a2 << ": " << d2 << endl;
};
};
void Func(A* a)
{
a->func();
}
int main()
{
A a;
B b;
Func(&a);
Func(&b);
return 0;
}
仔细观察上图与代码，我们发现虚函数的重写仅仅只是对实现进行了重写，我们父类的函数缺省值为1和2.0，而子类函数的缺省值为10和20.0，可打印出来的确实1和2，说明了虚函数的重写仅仅只是对实现部分进行了重写；
4、虚函数重写的两个例外
上面我们说过，要实现虚函数的重写必须实现三同，可是，这其实也有特殊例外的语法；以下分别一一介绍；
（1）协变
重写的虚函数可以返回值不同，但是他们的返回值必须为父子类关系的指针或引用；这种重写虚函数我们称为协变；如下所示；
class Person
{
public:
virtual Person& BuyTicket()
{
cout << "Person BuyTicket" << endl;
return *this;
}
};
class Student : public Person
{
public:
virtual Student& BuyTicket()
{
cout << "Student BuyTicket" << endl;
return *this;
}
};
void func(Person& p)
{
p.BuyTicket();
cout << endl;
}
int main()
{
Person p;
Student stu;
func(p);
func(stu);
return 0;
}
其中返回父子类的指针和引用并非必须返回本类的父子类，还可以返回别的父子类；
class A
{
public:
};
class B : public A
{
public:
};
class Student;
class Person
{
public:
virtual A* BuyTicket()
{
cout << "Person BuyTicket" << endl;
A* p = new A;
return p;
}
};
class Student : public Person
{
public:
virtual B* BuyTicket()
{
cout << "Student BuyTicket" << endl;
B* p = new B;
return p;
}
};
void func(Person& p)
{
p.BuyTicket();
cout << endl;
}
int main()
{
Person p;
Student stu;
func(p);
func(stu);
return 0;
}其中A、B类与Person、Student类并无关系，可是用他们作为返回值时，也可构成协变；其中父类写道父类虚函数的返回值中，子类写到子类虚函数的返回值中；
（2）析构函数的重写
析构函数的重写可以不用不用相同的名字，实际上，底层还是会将其改成相同的名字---destructor，只不过我们看着好像不同的函数名实现了多态；
class A
{
public:
virtual ~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
};
class B : public A
{
public:
virtual ~B()
{
cout << "~B()" << endl;
}
};
void Func(A* p)
{
// 如果传入一个子类指针，如果没有多态根本不能完全释放
delete p;
}
int main()
{
A* ptra = new A;
B* ptrb = new B;
Func(ptra);
Func(ptrb);
return 0;
}注意：有一个小细节，父类的虚函数必须写virtual关键字，子类可以不用写virtual，直接对其重写；
5、子类的指针或者引用调用
在上述所有代码中，我们实现多态的第二个条件就是子类的指针或者引用来调用虚函数，这是实现多态的必要条件；上述代码均有体现；
6、C++11的override与final关键字
在C++11中，新加了这两个关键字；
1、final用于修饰该虚函数不能在被重写了；
class A
{
public:
virtual void func()final { }
};
class B : public A
{
public:
virtual void func() {};
};
2、override关键字用于检查子类中的某个虚函数是否被重写；
class A
{
public:
virtual void func(int x) { }
};
class B : public A
{
public:
virtual void func(double x)override {};
};
7、重载、重定义（隐藏）、重写（覆盖）之间的对比
这三个是我们之前学过的概念，很容易混淆，此处对其一一进行对比；
重载：
两个函数必须在同一个作用域中，且函数名相同，参数不同，底层使用函数名修饰规则实现；
重定义：
两个函数作用域必须分别在派生类与基类中，函数名相同即可；
重写：
两个函数作用域必须分别在派生类与基类中，函数名、参数、返回值都必须相同（除了那两个特例除外），两个函数必须是虚函数（基类必须加virtual关键字）；
三、抽象类
虚函数后买你加 = 0，这个函数就被称为纯虚函数，包含纯虚函数的类被称为抽象类；抽象类不能实例化处对象，继承后派生类也不可实例化处对象，除非对纯虚函数进行重写；
class Base
{
public:
// 纯虚函数
virtual void func() = 0;
};
class Derive : public Base
{
// 重写纯虚函数
//virtual void func(){}
};
int main()
{
//Base b;
Derive d;
return 0;
}纯虚函数可以有自己的函数体；只是有纯虚函数的类不能实例化处对象；
四、多态的原理
1、虚函数表
首先，给大家一道面试题，以下代码结果是多少；
// 32位机器下
class Base
{
public:
virtual void func()
{}
int _a;
};
int main()
{
cout << sizeof(Base) << endl;
return 0;
}
结果是否超出你的预料呢？ 当我们将一个函数声明为虚函数时，该类内会多出一个指针，这个指针被称为虚函数表指针，简称虚表指针；因此结果为8字节；
我们再通过内存窗口来观察这个类，如下所示；
虚函数表实际上是一个函数指针数组，里面储存的是虚函数指针，在VS系列编译器中通常以 nullptr 结尾；后面我们打印虚表也是通过这一特性进行打印；我们接着加入继承，继续观察；
class Base
{
public:
virtual void func1()
{
cout << "Base func1" << endl;
}
virtual void func2()
{
cout << "Base func2" << endl;
}
void func3() { }
int _a;
};
class Derive : public Base
{
public:
virtual void func1()
{
cout << "Derive func1" << endl;
}
int _b;
};
int main()
{
Base b;
Derive d;
return 0;
}上述代码，我们新增了一个派生类，派生类对第一个虚函数进行了重写，然后在基类上增加了一个虚函数，一个普通成语函数；
首先，通过监视窗口，我们发现派生类确实继承了父类的虚函数表，但是我们仔细观察发现虚函数表的地址不同，表中存放的虚函数地址也不同，其中，第一个虚函数我们对其进行了重写，因此第一个函数指针的地址不同，第二个虚函数我们并未对其进行重写，因此地址相同，而父类除了增加虚函数外，还增加了一个普通成员函数，普通成员函数并没存进虚函数表中；
总结一下：
关于虚函数表（也称虚表），虚表也会被子类继承，只不过虚表被继承是子类拷贝父类的虚表，然后判断子类是否对其中某个虚函数进行重写，若重写，则用新的函数地址覆盖在原来虚表上的地址，若派生类新增了虚函数，也会继续依次填充在虚表后，虚表只会存放虚函数的地址；
还有一些问题，我带着大家一起验证，关于虚表存在哪里、虚函数又存在哪里？有许多小伙伴对其充满疑惑；
首先解答，虚表存在哪里？
// 该测试代码仅仅限于32位机器下
class Base
{
public:
virtual void func1()
{
cout << "Base func1" << endl;
}
virtual void func2()
{
cout << "Base func2" << endl;
}
void func3() { }
int _a = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
virtual void func1()
{
cout << "Derive func1" << endl;
}
int _b = 2;
};
int main()
{
Base ba;
Derive d;
int a = 10;
int* pa = new int;
static int b = 20;
const char* c = "xxxxxxxxxxxxxxxxxx";
printf("栈区: %p\n", &a);
printf("堆区: %p\n", pa);
printf("静态区: %p\n", &b);
printf("常量区: %p\n", c);
printf("父类对象虚表地址: %p\n", *(int*)&ba);
printf("子类对象虚表虚表地址: %p\n", *(int*)&d);
return 0;
}
不难看出，虚表的地址更接近与常量区，因此不难推测虚表存放在常量区，当然，往上也有一部分人说虚表存在静态区；
虚函数又存放在哪呢？
与大部分函数一样，虚函数也是存在代码段中的，此处补充一个小知识，代码段中存的并不是我们写的代码，而是二进制机器代码，我们写的代码首先转换成汇编代码，然后再由汇编代码转换成二进制机器代码；
2、虚函数表的打印
前面我们也说了，在VS系类的编译器下，虚函数表的最后一位会补上 nullptr ，因此我们可通过这一特性打印我们的虚函数表，还是上面那个类，此处就不重复了；
// 函数指针重定义
typedef void (*Vf_ptr)();
void PrintVf_ptr(Vf_ptr table[])
{
for (int i = 0; table[i] != nullptr; i++)
{
printf("table[%d]: %p ->", i, table[i]);
Vf_ptr f = table[i];
f();
}
cout << endl;
}
int main()
{
Base b;
Derive d;
Base* pa = &b;
Derive* pd = &d;
// 写法一
PrintVf_ptr(*(Vf_ptr**)pa);
PrintVf_ptr(*(Vf_ptr**)pd);
// 写法二 只是用于32位机器
//PrintVf_ptr((Vf_ptr*)*(int*)pa);
//PrintVf_ptr((Vf_ptr*)*(int*)pd);
return 0;
}
3、多态的原理
前面说了这么多，也只是为多态的原理进行铺垫；不止小伙伴们是否记得构成多态的基本条件，其中有一个是必须用父类的指针调用，那么为什么必须用父类的指针进行调用呢？我们假设不用父类的指针或引用，我们就使用值传递；拿以下类讲解；
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "Person BuyTicket" << endl;
}
};
class Student : public Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "Student BuyTicket" << endl;
}
};
// 这里使用值传递
void func(Person p)
{
p.BuyTicket();
cout << endl;
}
int main()
{
Person p;
Student stu;
func(p);
func(stu);
return 0;
}如果是值传递这里必然涉及拷贝的问题，那么虚表指针拷贝么，如果是拷贝，那么是拷贝父类虚表指针还是拷贝子类的虚表指针呢？这是不确定的，因为我们在调用这个函数里，不知道将来会被父类调用，还是子类调用，因此无法确定拷贝哪个虚表指针，因此必须要用父类的指针或者引用；而不能用切片直接传值；
那么是如何实现的呢？当我们传指针或者引用时，加入原对象是父类对象，则直接传，若是子类对象，则会发生我们之前讲过的赋值兼容（切片）；
如果传过去的是父类，则类中存的是父类的虚表指针，而传过去的是子类，类中存的是子类的虚表指针；所以有了如下调用逻辑；
4、静态绑定与动态绑定
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
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
1、单继承中的虚函数表
单继承中，父类的虚函数放在父类的虚函数表中，子类重写于父类的虚函数放在子类的虚函数表中，子类定义的虚函数也放在子类的虚函数表中；（放在理解为其指针存在虚函数表中）；
class A
{
public:
virtual void func1()
{
cout << "A::func1" << endl;
}
virtual void func2()
{
cout << "A::func2" << endl;
}
int _a = 1;
};
class B : public A
{
public:
virtual void func1()
{
cout << "B::func1" << endl;
}
virtual void func3()
{
cout << "A::func1" << endl;
}
int _b = 2;
};
int main()
{
A a;
B b;
return 0;
}
父类的虚函数表中存放了func1与func2地址，而子类虚函数表中，存放了重写的func1，因此地址不同；以及继承父类没有重写的func2，因此地址相同；还有在子类定义的虚函数func3；
2、多继承中的虚函数表
在多继承的体系下，又是如何继承的呢？首先我们好奇的是，多继承体系下，会有几张虚表呢？即派生类会有几个虚表指针呢？我们做了如下测试；
class Base1
{
public:
virtual void func1() { cout << "Base1 void func1()" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base1 void func2()" << endl; }
int _b1;
};
class Base2
{
public:
virtual void func1() { cout << "Base2 void func1()" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base2 void func2()" << endl; }
int _b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2
{
public:
virtual void func1() { cout << "Derive void func1()" << endl; }
virtual void func3() { cout << "Derive void func3()" << endl; }
int _d;
};
int main()
{
Derive d;
return 0;
}
通过监视窗口不难看出，d类中有两个虚表指针，意味着有两种张虚表；那么问题又来了，我们在派生类定义的虚函数func3存在先继承的Base1中的虚表，还是存在Base2中的虚表呢？我们使用前面的虚表打印的代码，进行测试；结果如下；
class Base1
{
public:
virtual void func1() { cout << "Base1 void func1()" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base1 void func2()" << endl; }
int _b1;
};
class Base2
{
public:
virtual void func1() { cout << "Base2 void func1()" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base2 void func2()" << endl; }
int _b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2
{
public:
virtual void func1() { cout << "Derive void func1()" << endl; }
virtual void func3() { cout << "Derive void func3()" << endl; }
int _d;
};
// 函数指针重定义
typedef void (*Vf_ptr)();
void PrintVf_ptr(Vf_ptr table[])
{
for (int i = 0; table[i] != nullptr; i++)
{
printf("table[%d]: %p ->", i, table[i]);
Vf_ptr f = table[i];
f();
}
cout << endl;
}
int main()
{
Derive d;
// 打印Base1虚表
PrintVf_ptr(*(Vf_ptr**)&d);
// 打印Base2虚表
Base2* ptr = &d; // 切片
PrintVf_ptr(*(Vf_ptr**)ptr);
return 0;
}
经过测试，我们发现我们在Derive新定义的虚函数，存在了先继承的Base1的虚表中，仔细观察的小伙伴们注意到了，Derive对func2没有进行重写，因此，我们继承的两张虚表的func2函数的地址不同可以理解，因为是两个不同的函数，可是为什么重写的func1的地址也不同呢？我们可以看到，他们明明是调用的同一个函数（—>后面是函数执行结果），那为什么地址不同呢？？
int main()
{
Derive d;
Base1* ptr1 = &d;
Base2* ptr2 = &d;
// 分别调用两个虚函数表中重写的func1
ptr1->func1();
ptr2->func1();
}关于调用同一个函数，这个函数却有两个地址的问题，我们还得观察汇编代码；接下来我带着大家一起观察我们程序的汇编代码；（call为汇编指令中的函数调用指令，后面接函数地址，而jmp为跳转指令，后接地址）
接着我们看Base2中的func1是在汇编代码中是如何调用的；
重新捋一下思路，在多重继承下，子类继承了两个及以上的来自父类的虚表，我们重写来自父类的虚函数（且这个虚函数多个父类都有）时，我们会对其重写，重写的虚函数只有一个，两个虚表中，各保存一份，上述问题讨论的是，为什么同一个虚函数地址不同;
观察汇编代码，我们发现，保存在Base2中的func1会多经过几次跳转；但最终还是会来到最终的函数入口地址；完成调用；其实与this指针有关；当我们分别用Base1*与Base2*类型的指针调用func1时，模型图如下所示；
当我们用Base2*调用func1时，其中有一个动作时减8，其实那个动作正是调整this指针的指向； 由于Base1*的指向本来就是子类Derive的开始，因此不用调整，所以两个虚函数表中的func1地址不同的本质原因是，Base2*调用fucn1时还需要调用一个调整this指针的动作；