C++中的多态
目录
前言
一.多态的概念
1.1 概念
1.2 多态的构成条件
1.3 虚函数
1.4 虚函数的重写
1.4.1 协变
1.4.2 析构函数的重写
1.4.3 C++11里的override和final关键字
1.5 抽象类
1.6 接口继承和实现继承
二.多态的原理
2.1 虚函数表
2.2 派生类中的虚表指针
2.3 虚表保存在哪
2.4 多态原理
2.5 动态绑定和静态绑定
三.单继承和多继承的虚函数表
3.1 单继承中的虚表
3.2 多继承中的虚表
前言
我认为多态是因为有了虚函数，通过继承，派生类可以重写虚函数，才有了C++的多态。所以要了解多态的原理，需要重点了解虚函数和虚基表。
一.多态的概念
1.1 概念
多态就是当要完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生不同的效果。或者是说，不同的对象处理某一件事有不同的方法。
比如：在火车站买票，普通成年人，需要全价买票，学生可以半价买票，军人可以优先买票。
1.2 多态的构成条件
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。
条件：
- 被调用的函数必须是虚函数，并且派生类必须对基类的虚函数进行重写。
- 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
第一点注意点是：调用的函数只能是虚函数，并且派生类必须对基类的虚函数进行重写。如果不重写，只是继承，实现方法一样。如果基类的不是虚函数，重写函数只是构成隐藏。
第二个注意点就是：必须通过基类的指针或者引用调用虚函数。
满足多态：跟对象的类型无关，跟指向的对象有关，指向哪个对象调用就是它的虚函数。
不满足多态：跟调用对象的类型有关，类型是什么就调用谁的虚函数。
如果不满足多态条件：
1.不重写虚函数
2.不是虚函数，重写
3.不用指针或者引用调用
1.3 虚函数
虚函数：被virtual修饰的成员函数称为虚函数。注意：修饰的是成员函数。
class Person
{
public:
//虚函数
virtual void BuyTicket()
{
cout << "全价买票" << endl;
}
protected:
};1.4 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的虚函数的返回值类型，函数名字，参数列表完全相同)，但是函数的实现不同，称派生类重写了基类的虚函数。
class Person
{
public:
//虚函数
virtual void BuyTicket()
{
cout << "全价买票" << endl;
}
protected:
};
class Student :public Person
{
public:
//虚函数重写
virtual void BuyTicket()
{
cout << "半价买票" << endl;
}
//注意：在在虚函数重写时，派生类的虚函数不加virtual关键字，也可以构成重写
//因为继承，将基类的虚函数继承了下来，在派生类依旧保持虚函数的属性。
//但是这种写法不规范，不建议这样写。
//void BuyTicket()
//{
//cout << "半价买票" << endl;
//}
protected:
};注意：
虚函数的重写，需要函数名，参数，返回值类型一样。但是派生类只是继承了函数的接口，接口就是函数名，参数，返回值类型。派生类重写只是实现不同。
1.4.1 协变
派生类重写基类虚函数，与基类虚函数的返回值不同。并且基类虚函数的返回值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，称为协变。
也可以是返回别的类的指针或者引用
class A{};
class B : public A {};
class Person {
public:
//返回A的
virtual A* f() {return new A;}
};
class Student : public Person {
public:
//返回B的
virtual B* f() {return new B;}
};1.4.2 析构函数的重写
问题：
所以析构函数需要定义成虚函数，来构成多态：
这里是一个注意点，申请空间为派生类，但是赋值给基类时，需要将析构函数写成虚函数，构成多态。
1.4.3 C++11里的override和final关键字
1. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能被继承，不能进行重写。
修饰类，类不能被继承
在C++98中，为了不让类被继承，可以将基类的构造函数私有化(private)，于是派生类就不能构造属于基类的成员。
2.override 检查派生类虚函数是否重写了基类的虚函数，如果没有编译错误。
这个只能修饰派生类的虚函数，不能修饰基类虚函数
override关键字最好用来检查派生类虚函数接口(函数名，参数，返回值)是否写错
1.5 抽象类
在虚函数后面写上=0，这个函数称为纯虚函数。
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。派生类继承之后也不能实例化出对象，只有重写的纯虚函数，派生类才能实例化出对象。
只有派生类经过纯虚函数重写才能实例化出对象。但是基类还是抽象类，不能实例化对象。
纯虚函数的作用：
1.一定程度上强制了派生类对纯虚函数的重写，如果不重写，派生类就不能实例化对象。
2.表示抽象的类型
应用场景：
比如：比如，只说一辆车，车是抽象的，是一个很笼统的概念。因为有多车，不知道具体什么车，并且你不会拿车实例化对象，车这个类就可以定义成抽象类，里可以写成员函数，但是不写具体实现。
但是某个品牌的车，比如奔驰，可以继承车这个抽象类，只需要重写纯虚函数，就可以实例化对象。
具体的继承抽象的。
1.6 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。只是可以有隐藏。
虚函数的继承是一种接口继承，派生类只是继承了基类虚函数的接口，目的是为了重写，达成多态。
所以如果不实现多态，不要定义成虚函数。
二.多态的原理
2.1 虚函数表
通过观察我们发现，对象b是8个字节，除了_num外，还有_vfptr指针。这个指针是我们叫做虚函数表指针，简称虚表指针。一个含有虚函数的类中至少有一个这样的指针。
_vfptr指针变量保存的是虚函数表的起始地址。
虚函数表实际是一个函数指针数组，虚函数表简称虚表。虚表里面保存的都是虚函数的地址。
2.2 派生类中的虚表指针
派生类不重写基类的虚函数。
通过上面现象说明一个结论：
派生类会继承基类的虚函数，会继承基类的虚表。但是派生类和基类的_vfptr变量内容不相等，说明两个虚表不是同一种虚表，只是虚表里的内容相同，所以会调用同一个函数。
派生类重写虚函数
通过上面现象说明一个结论：
派生类重写基类虚函数，会重写派生类虚函数表里的内容，将对应位置覆盖层重写虚函数的指针。
派生类增加虚函数
注意：
1.类中有虚函数只是这个类中多了虚函数表指针，不是将虚函数表保存到类中。
2.虚函数表最后会以nullptr结尾。
3.同类型的对象共用一张虚表，可以理解成一个类的虚表属于这个类的，实例化的对象，都公用这一张虚表。
总结派生类虚表的生成：
1.派生类会继承基类的虚表，当然两个虚表表不是一张虚表。派生类先将基表虚表的内容拷贝一份到派生类的虚表中
2.如果虚表重写虚函数，用派生类重写虚函数的地址覆盖掉虚表中对应虚函数的地址。
3.派生类增加虚函数，会在派生类虚表中声明次序增加到虚表的最后。
2.3 虚表保存在哪
首先说明，一个具有虚函数的类_vfptr保存在前面还是后面是有平台决定的，根据上面的现象，我们平台_vfptr是保存在最前面的。
2.4 多态原理
多态是基于虚函数的虚函数表。构成多态，跟对象有关。如果是基类对象，会去基类的虚表中找要调用虚函数的地址，去执行虚函数的代码。如果是派生类对象，会去派生类类的虚表中找要调用虚函数的地址，去执行虚函数的代码。
派生类虚函数重写之后，可以实现不同的对象，有不同的实现方法，展现不同的效果。
再来段代码理解一下：
通过汇编分析，看出满足多态以后函数调用，不是在编译时确定的，是在运行起来后到对象的需表中找的。
不满足多态，是在编译时确定好的。
2.5 动态绑定和静态绑定
- 静态绑定又称为前期绑定，在程序编译期间确定了程序的行为，也称静态多态。比如函数重载。在编译的时候确定了调用的函数。
- 动态绑定也称后期绑定，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，也称动态多态。就像上面的，运行时在到虚表中找调用函数的地址。
- 多态，多数都是动态绑定。
三.单继承和多继承的虚函数表
3.1 单继承中的虚表
结论是否如上图所述：我们来打印一下虚表
打印代码
class Person
{
public:
virtual void func1(){ cout << "Person func1()" << endl; }
virtual void func2(){ cout << "Person func2()" << endl; }
};
class Student :public Person
{
public:
virtual void func1(){ cout << "Student func1()" << endl; }
virtual void func3(){ cout << "Student func3()" << endl; }
protected:
};
typedef void(*VFPTR)();//声明一个函数指针即 typedef void (*)() VFPTR;
//打印代码
void PrintVfTable(VFPTR *vftable){
for (int i = 0; vftable[i] != nullptr; i++){
//打印虚表内容
printf("vftable[%d]:%p\n", i, vftable[i]);
//调用这个函数
VFPTR fun = vftable[i];
fun();
}
cout << endl;
}
int main()
{
Person p;
Student s;
//要得到虚表指针的内容，由于这个平台，虚表指针是保存在开始的
//先得到对象地址，强转成int *得到前四个字节，就是虚表指针的地址
//再解引用，得到虚表指针的内容
//再强转成函数二级指针
PrintVfTable((VFPTR *)*(int *)&p);
PrintVfTable((VFPTR *)*(int *)&s);
getchar();
return 0;
}结果和我们想的一样：
3.2 多继承中的虚表
根据上面的结论可以得到这样一张图：
#include
using namespace std;
class Base1
{
public:
virtual void func1(){
cout << "Base1 : func1()" << endl;
}
virtual void func2(){
cout << "Base1 : func2()" << endl;
}
protected:
int _a;
};
class Base2
{
public:
virtual void func1(){
cout << "Base2 : func1()" << endl;
}
virtual void func2(){
cout << "Base2 : func2()" << endl;
}
virtual void func3(){
cout << "Base2 : func3()" << endl;
}
protected:
int _b;
};
//多继承
class Deirve :public Base1, public Base2
{
public:
virtual void func1(){
cout << "Deirve : func1()" << endl;
}
virtual void func4(){
cout << "Deirve : func4()" << endl;
}
virtual void func5(){
cout << "Deirve : func5()" << endl;
}
protected:
int _c;
};
typedef void(*VFPTR)();//声明一个函数指针即 typedef void (*)() VFPTR;
void PrintVfTable(VFPTR *vftable){
printf("虚表地址：%p\n", vftable);
for (int i = 0; vftable[i] != nullptr; i++){
//打印虚表内容
printf("vftable[%d]:%p\n", i, vftable[i]);
//调用这个函数
VFPTR fun = vftable[i];
fun();
}
cout << endl;
}
int main()
{
Deirve d;
//打印继承Base1的虚表
PrintVfTable((VFPTR *)*(int *)&d);
//打印继承Base2的虚表
//加Base1大小的字节数，到Base2的虚表指针。
//要加先强转成char *，步长为一个字节。不强转的话，步长为Deirve
PrintVfTable((VFPTR *)*(int *)((char *)&d + sizeof(Base1)));
getchar();
return 0;
} 
画图表示为：
