C++ --- 多态

1 多态的概念

多态(polymorphism)的概念：通俗来说，就是多种形态。多态分为编译时多态(静态多态)和运⾏时多 态(动态多态)，这⾥我们重点讲运⾏时多态，编译时多态(静态多态)和运⾏时多态(动态多态)。编译时 多态(静态多态)主要就是我们前⾯讲的函数重载和函数模板，他们传不同类型的参数就可以调⽤不同的 函数，通过参数不同达到多种形态，之所以叫编译时多态，是因为他们实参传给形参的参数匹配是在 编译时完成的，我们把编译时⼀般归为静态，运⾏时归为动态。

运⾏时多态，具体点就是去完成某个⾏为(函数)，可以传不同的对象就会完成不同的⾏为，就达到多种 形态。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，是优惠买票(5折或75折)；军 ⼈买票时是优先买票。再⽐如，同样是动物叫的⼀个⾏为(函数)，传猫对象过去，就是"(>^ω^<)喵"，传狗对象过去，就是"汪汪"。

2 多态的定义以及实现 

 2.1多态的构成条件

多态是⼀个继承关系的下的类对象，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对象优惠买票

2.1.1实现多态还有两个必须重要条件

必须是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，并且完成了虚函数重写/覆盖。

说明：要实现多态效果，第⼀必须是基类的指针或引⽤，因为只有基类的指针或引⽤才能既指向基类 对象⼜指向派⽣类对象；第⼆派⽣类必须对基类的虚函数完成重写/覆盖，重写或者覆盖了，基类和派⽣类之间才能有不同的函数，多态的不同形态效果才能达到。

2.1.2 虚函数

类成员函数前⾯加virtual修饰，那么这个成员函数被称为虚函数。注意⾮成员函数不能加virtual修饰。

2.1.3 虚函数的重写/覆盖

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)，称派⽣类的虚函数重写了基类的虚函数。         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，不过在考试选择题中，经常会故意买这个坑，让你判断是否构成多态。

2.1.4 析构函数的重写

        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不符合重写的规则，实际上编译器对析 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，所以基类的析构函数加了 vialtual修饰，派⽣类的析构函数就构成重写。

        下⾯的代码我们可以看到，如果~A()，不加virtual，那么deletep2时只调⽤的A的析构函数，没有调⽤ B的析构函数，就会导致内存泄漏问题，因为~B()中在释放资源。

        注意：这个问题⾯试中经常考察，⼤家⼀定要结合类似下⾯的样例才能讲清楚，为什么基类中的析构 函数建议设计为虚函数

2.1.5 override和final关键字

从上⾯可以看出，C++对虚函数重写的要求⽐较严格，但是有些情况下由于疏忽，⽐如函数名写错参数写错等导致⽆法构成重写，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，可以帮助⽤户检测是否重写。如果我们不想让 派⽣类重写这个虚函数，那么可以⽤final去修饰

2.1.6 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

3 纯虚函数和抽象类 

 在虚函数的后⾯写上=0，则这个函数为纯虚函数，纯虚函数不需要定义实现(实现没啥意义因为要被 派⽣类重写，但是语法上可以实现)，只要声明即可。包含纯虚函数的类叫做抽象类，抽象类不能实例 化出对象，如果派⽣类继承后不重写纯虚函数，那么派⽣类也是抽象类。纯虚函数某种程度上强制了 派⽣类重写虚函数，因为不重写实例化不出对象。

4 多态的原理 

4.1虚函数表指针 

来看这么一个代码：你觉得他会输出几呢？

class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}
protected:int _b = 1;char _ch = 'x';
};
int main()
{Base b;cout << sizeof(b) << endl;return 0;
}

上⾯题⽬运⾏结果12bytes，除了_b和_ch成员，还多⼀个__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都有⼀个虚函数表指针，因为⼀个类所有虚函数的地址要被放到这个类对象的虚函数表中，虚函数表也简称虚表。

4.2 多态的原理

4.2.1多态时如何实现的

从底层的⻆度Func函数中ptr->BuyTicket()，是如何作为ptr指向Person对象调用Person::BuyTicket， ptr指向Student对象调⽤Student::BuyTicket的呢？通过下图我们可以看到，满⾜多态条件后，底层 不再是编译时通过调⽤对象确定函数的地址，⽽是运⾏时到指向的对象的虚表中确定对应的虚函数的 地址，这样就实现了指针或引⽤指向基类就调⽤基类的虚函数，指向派⽣类就调⽤派⽣类对应的虚函 数。第⼀张图，ptr指向的Person对象，调⽤的是Person的虚函数；第⼆张图，ptr指向的Student对 象，调⽤的是Student的虚函数。

class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
private:string _name;
};class Student : public Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
private:string _id;
};class Soldier : public Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-优先" << endl; }
private:string _codename;
};void Func(Person& ptr)
{// 这里可以看到虽然都是Person指针Ptr在调用BuyTicket// 但是跟ptr没关系，而是由ptr指向的对象决定的。ptr.BuyTicket();
}int main()
{// 其次多态不仅仅发生在派生类对象之间，多个派生类继承基类，重写虚函数后// 多态也会发生在多个派生类之间。Person ps;Student st;Soldier sr;Func(ps);Func(st);Func(sr);return 0;
}

这里就时清晰明了的看得到Person，Student，Soldier这三个里面的vfptr各自不同，即使是Student，Soldier这两个是继承的Person类的虚函数，那么他们的虚函数地址也是不一样的。

4.2.2 动态绑定与静态绑定

对不满⾜多态条件(指针或者引⽤+调⽤虚函数)的函数调⽤是在编译时绑定，也就是编译时确定调⽤ 函数的地址，叫做静态绑定。

满⾜多态条件的函数调⽤是在运⾏时绑定，也就是在运⾏时到指向对象的虚函数表中找到调⽤函数的地址，也就做动态绑定。

// ptr是指针+BuyTicket是虚函数满⾜多态条件。
// 这⾥就是动态绑定，编译在运⾏时到ptr指向对象的虚函数表中确定调⽤函数地址ptr->BuyTicket();
00EF2001  mov         eax,dword ptr [ptr] 
00EF2004  mov         edx,dword ptr [eax]
00EF2006  mov         esi,esp 
00EF2008  mov         ecx,dword ptr [ptr]  
00EF200B  mov         eax,dword ptr [edx]  
00EF200D  call        eax// BuyTicket不是虚函数，不满⾜多态条件。
// 这⾥就是静态绑定，编译器直接确定调⽤函数地址ptr->BuyTicket();
00EA2C91  mov         
00EA2C94  call        

4.2.3 虚函数表

1 基类对象的虚函数表中存放基类所有虚函数的地址。同类型的对象共⽤同⼀张虚表，不同类型的对 象各⾃有独⽴的虚表，所以基类和派⽣类有各⾃独⽴的虚表。

2 派⽣类由两部分构成，继承下来的基类和⾃⼰的成员，⼀般情况下，继承下来的基类中有虚函数表 指针，⾃⼰就不会再⽣成虚函数表指针。但是要注意的这⾥继承下来的基类部分虚函数表指针和基类对象的虚函数表指针不是同⼀个，就像基类对象的成员和派⽣类对象中的基类对象成员也独立的。

3 派⽣类中重写的基类的虚函数，派⽣类的虚函数表中对应的虚函数就会被覆盖成派⽣类重写的虚函 数地址。

4 派⽣类的虚函数表中包含，(1)基类的虚函数地址，(2)派⽣类重写的虚函数地址完成覆盖，派⽣类 ⾃⼰的虚函数地址三个部分。

5 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0x00000000标 记。(这个C++并没有进⾏规定，各个编译器⾃⾏定义的，vs系列编译器会再后⾯放个0x00000000 标记，g++系列编译不会放)

6 虚函数存在哪的？虚函数和普通函数⼀样的，编译好后是⼀段指令，都是存在代码段的，只是虚函数的地址⼜存到了虚表中。

7 虚函数表存在哪的？这个问题严格说并没有标准答案C++标准并没有规定，我们写下⾯的代码可以 对⽐验证⼀下。vs下是存在代码段(常量区)

class Base {
public:virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl;}virtual void func2(){ cout << "Base::func2" << endl;}void func5() { cout << "Base::func5" << endl;}
protected:int a = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }virtual void func3() {cout << "Derive::func1" << endl;}void func4() { cout << "Derive::func4" << endl;}
protected:int b = 2;
};int main()
{Base b;Derive d;return 0;}

这可以根据在内存中栈，静态区，堆，常量区对比地址来确定这个虚函数表的地址大概在什么地方：

int main()
{Base b1;Base b2;Derive d1;Derive d2;d1.Func1();list<int> lt = { 1,2,3,4,5,6 };int i = 0;static int j = 1;int* p1 = new int;const char* p2 = "xxxxxxxx";printf("栈:%p\n", &i);printf("静态区:%p\n", &j);printf("堆:%p\n", p1);printf("常量区:%p\n", p2);Base b;Derive d;Base* p3 = &b;Derive* p4 = &d;printf("Base虚表地址:%p\n", *(int*)p3);printf("Derive虚表地址:%p\n", *(int*)p4);printf("虚函数地址:%p\n", &Base::Func1);printf("普通函数地址:%p\n", &Base::Func3);return 0;
}