【C++】多态详解
声明： 本节课件中的代码及解释都是在vs2013下的x86程序中，涉及的指针都是4bytes。如果要其他平台下，部分代码需要改动。比如：如果是x64程序，则需要考虑指针是8bytes问题等等
文章目录
- 多态的概念
- 多态的定义及实现
-
- 多态的构成条件
- 虚函数
- 虚函数的重写
- 协变与析构函数的重写
- C++ 11 override和final
- 函数重载，重写（覆盖），隐藏（重定义）的区别
- 抽象类
- 多态的原理
-
- 虚函数表
- 多态的原理
- 动态绑定和静态绑定
- 单继承和多继承的虚函数表
-
- 单继承中的虚函数表
- 多继承中的虚函数表
- 菱形继承、菱形虚拟继承
- 问题
多态的概念
多态， 通俗来说，就是多种形态，具体点就是不同的对象去完成相同的动作或行为，却产生出不同的状态。
举个栗子：比如买票这个动作，当普通人买票时，是全价；学生买票时，有打折；军人买票时优先买票。
再举个栗子：最近为了争夺在线支付市场，支付宝经常会有诱人的扫红包-支付-给奖励金的活动，那么大家想想，为什么有些人的奖励多，特别是新用户，有些人奖励少？其实这背后也是一个多态行为。支付宝首先会分析你的账户数据，比如你是新用户、比如你没有经常支付宝支付等等，那么你需要被鼓励使用支付宝，那么就你扫码金额 =random()%99；比如你经常使用支付宝支付或者支付宝账户中常年没钱，那么就不需要太鼓励你去使用支付宝，那么就你扫码金额 = random()%1；总结一下：同样是扫码动作，不同的用户扫得到的不一样的红包，这也是一种多态行为。ps：支付宝红包问题纯属瞎编，大家仅供娱乐。
多态的定义及实现
多态的构成条件
多态的定义：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对象调用了函数BuyTicket()，产生了买票全价的结果，Student对象调用了函数BuyTicket()，产生了买票半价的结果。
其中在继承中构成多态还有两个条件：
- 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；
- 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数。
我们先来看一下多态的代码实现，再来逐一分析。
#include运行结果：通过运行结果我们可以看出不同继承关系的类对象调用同一虚函数，产生了不同的结果，这就是多态。
虚函数
虚函数：即被virtual修饰的类成员函数。
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "Person--买票-全价" << endl;
}
};
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（用virtual修饰的函数），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（三同），称子类的虚函数重写了基类的虚函数。
#include注意几点：
1.子类虚函数可以不加virtual，因为子类会继承类的成员，就包括了虚函数。（建议父类子类都加上虚函数）
2.多态的其中一个条件是：必须通过基类的指针或引用调用虚函数。很多人认为用Person&接收Student类对象，其中会存在类型转换，但其实不是，实际上在继承中派生类对象可以赋值给基类的对象/基类的指针/基类的引用。这里有个形象的说法叫切片或者切割。这里并不是把Student类对象转换成Person，而是指向了Student类中Person类的那一部分，其指向的还是Student s这个对象。因为这个编译的机制，我们才能保证实现多态（不同的类对象调用同一函数可以实现不同的结果）。
3.对第2点的总结：
普通调用->跟调用对象类型有关
多态调用->基类的指针/引用–跟指向的对象有关
void func(Person& p)
{
p.BuyTicket();
}
void func(Person* p)
{
p->BuyTicket();
}
协变与析构函数的重写
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，称为协变（了解）
协变的演示代码如下：
class Person
{
public:
//virtual void BuyTicket()
virtual Person* BuyTicket()
{
cout << "Person--买票-全价" << endl;
return this;
}
};
class Student :public Person
{
public:
//virtual void BuyTicket()
virtual Student* BuyTicket()
{
cout << "Student--买票-半价" << endl;
return this;
}
};
class Soldier :public Person
{
public:
//virtual void BuyTicket()
virtual Soldier* BuyTicket()
{
cout << "Soldier--买票-优先" << endl;
return this;
}
};
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。
#include编译结果正确：我们要先知道delete函数的底层原理是先使用指针调用析构函数，再调用系统内部的operator delete函数（底层是free函数）。所以编译的结果是先调用Person的析构函数，再调用Student的析构函数，有因为Student是派生类，继承了Person类，所以还会再调用一次Person的析构函数。
如果派生类没有对基类进行虚函数重写，那么编译器将会报错或者只打印出两个~Person，这就是上面所说的：普通函数调用跟调用类型有关，多态函数调用跟指向的对象有关。
C++ 11 override和final
如何实现一个不能继承的类？又如何实现一个不能被重写的虚函数？有关键字可以检查多态中的重写是否书写正确嘛？
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
class Car
{
public:
virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
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。
class Car {
public:
virtual void Drive() {}
};
class Benz :public Car {
public:
virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
报错举例：
函数重载，重写（覆盖），隐藏（重定义）的区别
重载：
两个函数在同一作用域；
函数名相同，参数不同。
重写（覆盖）：
两个函数在不同的作用域，分别在基类和派生类的作用域；
函数名，参数，返回值都必须相同（协变例外）；
两个函数都必须是虚函数。
重定义（隐藏）：
两个函数在不同的作用域，分别在基类和派生类的作用域；
函数名相同；
两个基类和派生类的同名函数不构成重写就是重定义。
抽象类
在虚函数的后面写上 =0,则这个虚函数为纯虚函数。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了接口继承。
class Car
{
public:
virtual void Drive() = 0;
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive()
{
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
int Test()
{
//只有派生类对抽象类的虚函数进行重写，才能实例化出派生类的对象,
//基类实例化不出对象
Benz b;
return 0;
}
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函数的接口，目的是为了重写，达成多态，继承是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。
多态的原理
虚函数表
我们来看一段代码，请问Base类有多大？
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
通过观察测试我们发现b对象的大小是8bytes，出了b成员，还多了一个_vfptr放在对象的前面（注意有些平台可能会放到对象的最后面，这个跟平台有关），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，虚函数表也称虚表。
那么派生类中这个表放了什么呢？我们接着往下分析。
#include 
实际上虚表当中存储的就是虚函数的地址，因为父类当中的Func1和Func2都是虚函数，所以父类对象b的虚表当中存储的就是虚函数Func1和Func2的地址。
而子类虽然继承了父类的虚函数Func1和Func2，但是子类对父类的虚函数Func1进行了重写，因此，子类对象d的虚表当中存储的是父类的虚函数Func2的地址和重写的Func1的地址。这就是为什么虚函数的重写也叫做覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数地址的覆盖，重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。
其次需要注意的是：Func2是虚函数，所以继承下来后放进了子类的虚表，而Func3是普通成员函数，继承下来后不会放进子类的虚表。此外，虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组（函数指针数组），一般情况下会在这个数组最后放一个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的某个虚函数，则用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数，更改了_vfptr指针指向的虚函数表中存的虚函数的地址
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。
问：虚函数存在哪？虚表存在哪？
错误答案：虚函数存在虚表，虚表存在对象中。
正确的解释：虚表存的是虚函数指针（地址），不是虚函数，虚函数和普通函数一样，都是存在代码段的，只是他的指针又存到了虚表中，另外对象中存的不是虚表，而是虚表的指针。至于虚表是存在哪里的，我们可以通过以下这段代码进行判断。
int j = 0;
int main()
{
Base b;
Base* p = &b;
printf("vfptr:%p\n", *(int*)p ); //000FDCAC
int i = 0;
printf("栈上地址:%p\n", &i); //005CFE24
printf("数据段地址:%p\n", &j); //0010038C
int* k = new int;
printf("堆上地址:%p\n", k); //00A6CA00
const char* cp = "hello world";
printf("代码段地址:%p\n", cp); //000FDCB4
return 0;
}
代码当中打印了对象b当中的虚表指针，也就是虚表的地址，可以发现虚表地址与代码段的地址非常接近，由此我们可以得出虚表实际上是存在代码段的。
多态的原理
对于多态的原理，必须先理解构成多态的条件：
1.必须通过父类对象的指针或引用当中形参调用虚函数
2.子类必须完成对父类虚函数的重写且被调用的函数是虚函数。
子类和父类的对象的虚函数表指针，虚函数表，重写的虚函数的地址不同，例如我们传入一个父类对象，它使用的就是源自父类的虚函数，如果我们传入一个从子类切片而来的父类对象，那么这个对象中的虚函数时子类重写的虚函数。虽然这两个都是父类，但是是指向不同的对象，调用的就是不同的虚函数，这便是多态的原理。
例如，下面代码中，为什么当父类Person指针指向的是父类对象Mike时，调用的就是父类的BuyTicket，当父类Person指针指向的是子类对象Johnson时，调用的就是子类的BuyTicket?
#include 通过调试可以发现，对象Mike中包含一个成员变量_p和一个虚表指针，对象Johnson中包含两个成员变量_p和_s以及一个虚表指针，这两个对象当中的虚表指针分别指向自己的虚表。
- 父类指针p1指向Mike对象，p1->BuyTicket在Mike的虚表中找到的虚函数就是Person::BuyTicket。
- 父类指针p2指向Johnson对象，p2>BuyTicket在Johnson的虚表中找到的虚函数就是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。
现在我们再次思考构成多态的两个条件，一是完成虚函数重写（覆盖），二是必须使用父类的指针或者引用去调用虚函数。必须完成虚函数重写是因为我们需要完成子类虚表当中虚函数地址的覆盖，那么为什么必须使用父类的指针或者引用调用虚函数呢？
Person* p1 = &Mike;
Person* p2 = &Johnson;
使用父类指针或者引用时，实际上是一种切片行为，切片时只会让父类指针或者引用得到父类或子类对象中切出来的那一部分。
因此，我们使用p1,p2调用虚函数时，p1和p2通过虚表指针找到的虚表是不一样的。
如果我们没有使用父类的指针或者引用，而是直接使用父类对象调用虚函数，切片得到部分成员变量后，会调用父类的拷贝构造函数对那部分成员变量进行拷贝构造，而拷贝构造出来的父对象p1和p1当中的虚表指针指向的都是父类的虚表，因为同类型的对象共享一张虚表，就无法构成重写。
Person p1 = Mike;
Person p2 = Johnson;
总结：
1.普通调用：跟调用类型有关，对象是什么类型就调用谁的虚函数。
2.多态调用: 跟调用的对象有关，指针指向哪个对象就调用谁的虚函数。
动态绑定和静态绑定
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：又称为后期绑定（晚绑定），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，调用具体函数，也称为动态多态。
我们可以通过查看汇编的方式进一步理解静态绑定和动态绑定。
//父类
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "买票-全价" << endl;
}
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "买票-半价" << endl;
}
};
int main()
{
Student Johnson;
Person p = Johnson; //不构成多态
p.BuyTicket();
return 0;
}
首先BuyTicket虽然是虚函数，但是mike是对象，不满足多态的条件，所以这里是普通函数的调用，在编译时已经从符号表确认了函数的地址，直接call这个函数地址。
我们若是按照如下方式调用BuyTicket函数，则构成多态，函数的调用是在运行时确定的。
int main()
{
Student Johnson;
Person& p = Johnson; //构成多态
p.BuyTicket();
return 0;
}
相比不构成多态时的代码，构成多态时调用函数的那句代码翻译成汇编后就变成了八条汇编指令，主要原因就是我们需要在运行时，先到指定对象的虚表中找到要调用的虚函数，然后才能进行函数的调用。
这样就很好的体现了静态绑定是在编译时确定的，而动态绑定是在运行时确定的。
单继承和多继承的虚函数表
需要注意的是在单继承和多继承关系中，下面我们去关注的是派生类对象的虚表模型，因为基类的虚表模型前面我们已经看过了，没什么需要特别研究的。
单继承中的虚函数表
//基类
class Base
{
public:
virtual void func1() { cout << "Base::func1()" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base::func2()" << endl; }
private:
int _a;
};
//派生类
class Derive : public Base
{
public:
virtual void func1() { cout << "Derive::func1()" << endl; }
virtual void func3() { cout << "Derive::func3()" << endl; }
virtual void func4() { cout << "Derive::func4()" << endl; }
private:
int _b;
};
此段代码的基类和派生类的虚函数表如下：
在单继承过程中，虚函数表的生成遵循以下规则：
- 继承基类的虚表内容到派生类的虚表。
- 对派生类重写了的虚函数地址进行覆盖（重写），例如代码中的func1.
- 虚表当中新增派生类中新的虚函数地址，比如func3，func4.
但是，在调试过程中，某些编译器的监视窗口当中看不到虚表当中的func3和func4，可能是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数，也可以认为这是一个小bug，此时如果我们想要看到派生类对象完整的虚表有两个方法。
一.使用内存监视窗口
二.使用代码打印虚表内容
思路：取出b,d对象的头4bytes，就是虚表指针vfptr，前面我们说了虚函数表本质是一个存虚函数指针的函数指针数组，这个数组在最后面放的是nullptr空指针。
1.先取b的地址，强转成一个int*指针，为了在32位平台下去头4个字节
2.在解引用取值，就1拿到了指向虚表的指针
3.再强转成VFPTR星，因为虚表就是一个存VFPTR类型（虚函数指针类型）的数组
4.虚表指针传递1给PrintfuncTable进行打印虚表
5.需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最后面没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的-生成-清理解决方案，再编译就好了。
//单继承函数中的虚函数表
#include
多继承中的虚函数表
//基类1
class Base1
{
public:
virtual void func1() { cout << "Base1::func1()" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base1::func2()" << endl; }
private:
int _b1;
};
//基类2
class Base2
{
public:
virtual void func1() { cout << "Base2::func1()" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base2::func2()" << endl; }
private:
int _b2;
};
//多继承派生类
class Derive : public Base1, public Base2
{
public:
virtual void func1() { cout << "Derive::func1()" << endl; }
virtual void func3() { cout << "Derive::func3()" << endl; }
private:
int _d1;
};
两个基类的虚表模型
派生类的虚表模型
在多继承关系中，派生类的虚表生成过程如下：
1.分别继承各个基类的虚表内容到派生类的各个虚表中。
2.对派生类重写了的虚函数地址进行覆盖，如func1.
3.此段代码派生类是先继承Base1，再继承Base2，在派生类第一个继承基类部分的虚表当中新增派生类当中新的虚函数地址，如func3的虚函数地址是放在第一个继承的基类的虚函数表中。
一.使用内存监视窗口
二.使用代码打印虚表内容
typedef void(*VFPTR)(); //虚函数指针类型重命名
//打印虚表地址及其内容
void PrintVFT(VFPTR* ptr)
{
printf("虚表地址:%p\n", ptr);
for (int i = 0; ptr[i] != nullptr; i++)
{
printf("ptr[%d]:%p-->", i, ptr[i]); //打印虚表当中的虚函数地址
ptr[i](); //使用虚函数地址调用虚函数
}
printf("\n");
}
int main()
{
Base1 b1;
Base2 b2;
PrintVFT((VFPTR*)(*(int*)&b1)); //打印基类对象b1的虚表地址及其内容
PrintVFT((VFPTR*)(*(int*)&b2)); //打印基类对象b2的虚表地址及其内容
Derive d;
PrintVFT((VFPTR*)(*(int*)&d)); //打印派生类对象d的第一个虚表地址及其内容
PrintVFT((VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1)))); //打印派生类对象d的第二个虚表地址及其内容
return 0;
}
菱形继承、菱形虚拟继承
实际中我们不建议设计出菱形继承及菱形虚拟继承，一方面太复杂容易出问题，另一方面这样的模型，访问基类成员有一定得性能损耗。所以菱形继承、菱形虚拟继承我们的虚表我们就不看了，一般我们也不需要研究清楚，因为实际中很少用。如果好奇心比较强的宝宝，可以去看下面的两篇链接文章。
C++虚函数表解析
C++对象的内存布局
问题
1.inline可以是虚函数吗？
inline（内联）不可以是虚函数。调用时，如果不构成多态，就保留inline的属性。如果构成多态，则不具有inline的特征。我们知道内联函数是会在调用的地方展开的，也就是说内联函数是没有地址的，但是内联函数是可以定义成虚函数的，当我们把内联函数定义成虚函数后，编译器就忽略了该函数的内联属性，这个函数就不再是内联函数了，因为inline是在编译的时候展开，而多态是要在运行时取对象的虚函数表里面找虚函数，属于动态绑定，在运行时，根据具体拿到的东西，才能确定程序的具体，调用对应的函数。
2.静态成员可以是虚函数吗？
静态成员不能是虚函数。因为静态成员没有this指针，在类外可以直接使用类名::成员函数的方式对静态成员函数进行调用，但是调用虚函数需要通过确定的指向的对象才能找到虚函数表，所以静态成员不能是虚函数。
3.虚函数表是在什么阶段生成的？存在哪的？
虚表是在构造函数初始化列表阶段进行初始化的（通过调试可以观察到），虚表一般情况下存在代码段（常量区）。
4.析构函数可以是虚函数吗?
析构函数可以是虚函数，并且把基类的析构函数定义成虚函数。若我们分别new一个父类对象和一个子类对象，并均用父类指针指向它们，当我们使用delete调用析构函数并释放对象空间时，只有当父类的析构函数是虚函数的情况下，才能正确调用父类和子类的析构函数分别对父类和子类对象进行析构，否则我们使用父类指针delete对象时，只能调用到父类的析构函数。
5.对象调用普通成员函数快还是虚函数快？
如果不构成多态，即使是虚函数，也是在编译阶段确定调用地址，速度几乎无差别；如果构成多态，编译器需要在运行时通过对象去虚函数表中确定虚函数的调用地址，这个时候普通函数快于虚函数。
6.构造函数可以是虚函数吗？
构造函数不可以是虚函数。前面说到过虚函数表是在构造函数的初始化列表进行初始化的，构造函数是虚函数表生成的前提，所以构造函数不可以是虚函数。
7.C++菱形继承的问题？虚继承的原理？
菱形虚拟继承，因为子类对象当中会有两份父类的成员，因此会导致数据冗余和二义性问题。虚继承会保证相同的虚基类在对象当中只会存储一份，若要访问虚基类的成员需要通过虚基表获取到偏移量，进而找到虚基类成员。从而解决了数据冗余和二义性问题。
8.什么是抽象类？抽象类的作用？
抽象类又称接口类，子类继承抽象类后也变成了抽象类。包含纯虚函数的类被称为抽象类，在虚函数的后面加个=0,这个虚函数就称为纯虚函数。抽象类不能实例化出对象，这就强制用户对纯虚函数进行重写，对虚函数的重写是一种接口继承，子类会继承虚函数的函数名和缺省值，但不会继承实现。