C++基础知识点(六-多态)
目录
一、多态的概念
二、多态的定义及实现
2.1 多态的构成条件
2.2 虚函数
2.3 虚函数的重写
2.4 override和final
2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
三、抽象类
3.1 概念
3.2 接口继承和实现继承
四、多态的原理
4.1 虚函数表
4.2 多态原理
4.3 动态绑定与静态绑定
一、多态的概念
通俗来说，就是多种形态，具体点就是取完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。例如在生活中，买火车票，普通人买票时，买的是全价票；学生买票时，买的是半价票。
二、多态的定义及实现
2.1 多态的构成条件
构成多态的两个必要条件：
- 必须通过基类的指针或引用调用虚函数。
- 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。
2.2 虚函数
被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。
class Person {
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "买全价票" << endl;
}
};2.3 虚函数的重写
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。
class Person {
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "买全价票" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "买半价票" << endl;
}
};注意：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因为继承后基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性),但是该种写法不是很规范，不建议这样使用。
构成虚函数重写的两个例外：
1) 协变(基类与派生类函数返回值类型不同)
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，二者依旧构成虚函数重写，称为协变。
class Person {
public:
virtual A* f() {return new A;}
};
class Student : public Person {
public:
virtual B* f() {return new B;} //f()构成虚函数重写
};2) 析构函数的重写
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，看起来违背了重写的规则，但是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，所以二者的函数名在编译后仍然是相同的。
class Person {
public:
virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};
class Student : public Person {
public:
virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
/*只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数，下面的delete对象调用析构函
数，才能构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确的调用析构函数。*/
int main()
{
Person* p1 = new Person;
Person* p2 = new Student;
delete p1;
delete p2;
return 0;
}2.4 override和final
1) final：修饰虚函数，表示该虚函数不能被重写。
class Car
{
public:
virtual void Drive() final
{}
};
class BWM :public Car
{
public:
virtual void Drive() {cout << "BWM" << endl;} //编译器报错，重写不了
};2) override：检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有重写编译器报错。
class Car
{
public:
virtual void Drive() {}
};
class BWM :public Car
{
public:
virtual void Drive() override
{
std::cout << "BWM" << std::endl;
}
};2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
三、抽象类
3.1 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。
class Car
{
public:
virtual void Drive() = 0;
};
class BYD :public Car
{};
class BMW :public Car
{
public:
virtual void Drive()
{
cout << "BMW" << endl;
}
};
void Test()
{
Car* pCar = new Car; // 不能实例化，因为是抽象类
Car* pBYD = new BYD; // 不能实例化，因为继承了抽象类，纯虚函数没有重写。
Car* pBMW = new BMW; // 能实例化，对纯虚函数进行了重写。
pBMW->Drive();
}3.2 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、多态的原理
4.1 虚函数表
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};上述代码中，sizeof(Base)是多少？答案是8bytes，为什么是8bytes不应该是4bytes吗？通过变量监控可以观察到，除了_b成员，还多一个__vfptr放在对象的前面(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。
针对上面的代码我们做出以下改造
1.我们增加一个派生类Derive去继承Base
2.Derive中重写Func1
3.Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Base::Func1()" << endl;
}
virtual void Func2()
{
cout << "Base::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;
};
int main()
{
Base b;
Derive d;
return 0;
}通过观察和测试，可以得出以下几点结论：
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。
3. 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nullptr。
4. 派生类的虚表生成步骤：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。
5. 虚函数存在哪的？虚表存在哪的？ 答：虚函数存在虚表，虚表存在对象中。上面的回答的错的，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。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。
4.2 多态原理
class Person {
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买全价票" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买半价票" << endl; }
};
void Func(Person& p)
{
p.BuyTicket();
}
int main()
{
Person Mike;
Func(Mike);
Student Johnson;
Func(Johnson);
return 0;
}1. 下图的红色箭头我们可以看到，p是指向mike对象时，p->BuyTicket在mike的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket。
2. 下图的蓝色箭头我们可以看到，p是指向johnson对象时，p->BuyTicket在johson的虚表中
找到虚函数是Student::BuyTicket。
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。
4.3 动态绑定与静态绑定
1. 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
2. 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。