【C++】多态
一、多态的概念
多态，顾名思义就是多种状态。
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。
举个例子:比如买票这个行为，当普通人买票时，是全价买票；学生买票时，是半价买票；军人买票时是优先买票。
二、多态的定义及其实现
1.虚函数
虚函数定义：被virtual修饰的函数被称为虚函数
如下Person类中的BuyTicket( )就是虚函数。
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "买票-全价" << endl;
}
};
2.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)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。
如下两个类中的虚函数BuyTicket( )就完成了重写。
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;
}
};
- 特例1：基类中的函数必须要用virtual修饰才是虚函数。子类中函数可以不被virtual修饰。
如下，子类中BuyTicket( )依然是虚函数，两个类中的BuyTicket( )函数依然构成重写。（日常使用的时候不建议省略）
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "买票-全价" << endl;
}
};
class Student :public Person
{
public:
void BuyTicket()
{
cout << "买票-半价" << endl;
}
};
- 特例2：协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)（了解）
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。如下代码：
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;
}
};
3.多态的条件
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。
多态形成的条件
- 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
- 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
如下代码都通过基类Person的引用来调用重写过的虚函数BuyTicket( )，得到的结果各不相同：
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;
}
};
class Soldier :public Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "提前买票" << endl;
}
};
void Func(Person& p)
{
p.BuyTicket();
}
int main()
{
Person p;
Student st;
Soldier so;
Func(p);
Func(st);
Func(so);
return 0;
}
结果如下：
4.析构函数的重写和应用
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。这样处理可以解决如下代码的问题：
- 问题所在
这段代码定义了两个Person类的指针，一个指向Person类，另一个则指向Student类。根据调用规则，什么类型的指针就会调用什么类中的函数。在delete p1和delete p2时，两者都会去调用Person类中的析构函数。而我们真正的目的时分别调用Person和Student的析构函数来机构两个不同的对象。
class Person
{
public:
~Person()
{
cout << "~Person()" << endl;
}
};
class Student : public Person
{
public:
~Student()
{
cout << "~Student()" << endl;
}
};
int main()
{
Person* p1 = new Person;
Person* p2 = new Student;
delete p1;
delete p2;
return 0;
}
运行结果如下图,调用了两次person类中的析构函数;
- 解决方法
由于两个对象都是父类指针的类型，因此只要对析构函数完成重写，就可以实现用多态调用。修改之后代码如下：
class Person
{
public:
virtual ~Person()
{
cout << "~Person()" << endl;
}
};
class Student : public Person
{
public:
virtual ~Student()
{
cout << "~Student()" << endl;
}
};
int main()
{
Person* p1 = new Person;
Person* p2 = new Student;
delete p1;
delete p2;
return 0;
}
运行结果如下，待用了各自的析构函数：
5.C++11 override 和 final
从上面可以看出，C++对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重载，而这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运行时没有得到预期结果才来debug会得不偿失，因此：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,如下代码所示
- 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。使用方法如下代码：
class Car {
public:
virtual void Drive()
{}
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive() override
{
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
6.重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
区别如下图：
三、抽象类
1.概念
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。
如下为一个抽象类：
class A
{
public:
virtual void Person() = 0;
};
无法被实例化：
子类完成重写之后可以实例化子类：
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。
四、多态原理
1.虚函数表
现有如下代码，问他的大小是多少：
// 这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
virtual void Func2()
{
cout << "Func2()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
运行后得到结果为8：
如果作为一个不含有虚函数的对象来说，类的大小应当是4。因为是需要计算成员变量的大小即可，成员函数则是存在代码段中。此处大小为8的原因是应为对象中还存在一个指向虚表的指针，而虚函数的地址正是存储在虚表之中。如下图：
- 注：相同类型的对象共用一个虚表
之后我们来研究继承下来子类的结构。下面是被Base类和它的子类。
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
virtual void Func2()
{
cout << "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;
};
子类中的Func1为虚函数，也在虚表之中。但是由于它没有被继承也没有重写，vs会特殊处理，使它不在调试中显示，调试结果如下：
通过观察，得到一下几点：
- 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，虚表指针也就是存在部分的,另一部分是自己的成员。
- 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，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。
- 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。
- 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。
- 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。
2.多态的原理
我们通过如下代码进行分析：
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;
}
根据图示，我们可以观察到如下：
- 观察上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。
- 观察上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。
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
-
分清是普通调用还是多态调用
如果父类和子类中的虚函数名字、返回类型、参数都相同，并且用父类指针来调用函数则为多态。反之则为普通调用。 -
普通调用和多态调用的区别
- 多态调用：运行时决议 – 运行时（查虚函数表）确定调用函数的地址
多态调用由于使用到了父类对象的指针，所以其底层就在运行期间的指针使用。编译器得到指针之后，根据指针指向的内容，截取对象的前4个字节，从而得到虚表指针，进而找到虚表。在虚表中找到需要的虚函数的指针，从而实现对虚函数的调用。通过汇编代码我们可以大致的看一下：
void Func(Person* p)
{
p->BuyTicket();
// p中存的是mike对象的指针，将p移动到eax中
001940DE mov eax, dword ptr[p]
// [eax]就是取eax值指向的内容，这里相当于把mike对象头4个字节(虚表指针)移动到了edx
001940E1 mov edx, dword ptr[eax]
// [edx]就是取edx值指向的内容，这里相当于把虚表中的头4字节存的虚函数指针移动到了eax
00B823EE mov eax, dword ptr[edx]
// call eax中存虚函数的指针。这里可以看出满足多态的调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象的中取找的。
001940EA call eax
001940EC cmp esi, esp
}
概括：多态调用时，父类指针指向哪个对象，就会调用这个对象对应类的虚函数。
- 普通调用：编译时决议 – 编译时（符号表）确定调用函数的地址
普通调用在编译时已经从符号表确认了函数的地址，直接call 地址即可。汇编代码如下：
int main()
{
mike.BuyTicket();
00195182 lea ecx, [mike]
//直接call这个函数的地址即可
00195185 call Person::BuyTicket(01914F6h)
}
概括：普通调用时，调用的对象、指针、引用是什么类型，就调用对应类的函数。