多态（c++详细版）

一.多态

        1.1 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"。

        

二.多态的定义及实现

        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。

        下面我们来写个多态的例子看一下。

        

        这就是一个简单的例子。

        多态我们需要关注几点，第一点就是需要存在继承关系，第二点就是基类必须是虚函数才能是构成重写（覆盖），派生类的重写函数可以不用写virtual，第三点就是我们实现多态传参的那个函数必须是传指针或者引用，不能用传值传参。

        发现运行结果符合预期。

        这里为什么不能传值传参呢？

        因为如果用传值传参的话，它会发生切片，此时就会把派生类的基类部分切片，赋值给形参，此时就会产生新对象了，就是一个新的基类对象了。

        此时你传入了两个参数都是基类对象了，此时就会破坏多态了。

        

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。

        

        这也是我们的多态，派生类重写函数没有写virtual，也是可以实现多态的。

        

        我们也完成了多态。

        

        我们用指针的类型转换也是可以实现多态的，类似于Java的向上向下转型。

        

        我们发现也完成了预期。

        我们下面来看一个题。

2.1.4 多态场景的⼀个选择题

以下程序输出结果是什么（）

A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确

大家可以思考一下。

按照我们正常的思路就是我们都知道，派生类继承之后的组成是，自己的变量加上一个基类对象，而不是基类对象的内容拷贝一份下来，所以，我们这里的func（）应该是this->func（），这里的this是A*，不是B*因为这个test函数不是拷贝下来一份的，而是存在派生类的基类当中的，所以是A*，所以是调用A中的func（）方法的，又因为A中的func方法构成的多态，被重写了，所以是B->0，这是我们正常思路做的，但是，这是不对的，我们先来运行看一下真正的结果吧。

为什么是这样呢？

在 C++ 里，虚函数虽然支持运行时多态，也就是根据对象的实际类型来决定调用哪个版本的虚函数，但默认参数是在编译时根据指针或引用的静态类型来确定的，而不是在运行时根据对象的实际类型确定。

1. 调用 p->test()：p 是 B 类型的指针，指向一个 B 对象。调用 test() 函数时，由于 B 类没有重写 test() 函数，所以实际上调用的是基类 A 中的 test() 函数。

2. A::test() 内部调用 func()：在 A::test() 函数内部调用了 func()，这里没有显式传递参数，因此会使用默认参数。

3. 确定默认参数值：虽然 func() 是虚函数，运行时会根据对象的实际类型调用 B 类的 func() 函数，但默认参数是根据调用该函数的指针或引用的静态类型来确定的。在 A::test() 中调用 func() 时，静态类型是 A，所以默认参数使用 A 类中 func() 函数定义的默认参数 val = 1。

4. 调用 B 类的 func() 函数：由于 func() 是虚函数，运行时会根据对象的实际类型（B 类）调用 B 类的 func() 函数，并且传入的参数值是 1，所以最终输出结果为 B->1。

        简单来说就是构成多态就是用基类的声明，用派生类的结构体，大家可以举个例子试一下，所以是B->1。

        

2.1.4 虚函数重写的⼀些其他问题

        

        协变(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。协变的实际意义并不⼤，所以我们 了解⼀下即可。

        

用基类和派生类的类型作为返回值也是可以构成多态的。

发现没问题。

2.1.5 析构函数的重写

        

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delete p2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。

        

        这样是没有问题的。

        

        后创建的先析构所以是~B，又因为我们之前说过，派生类会自动调用基类的析构函数的，所以就是图中的情况。

        

        我们使用一下多态试试。

        

       这里没有调用析构函数的原因就是new的内存在堆上面，不会自动释放是吧，堆上的内存都需要程序员自己释放。

        

        我们需要自己调用析构。

        

        我们发现调用了两次A的析构，因为

• delete aa 操作：aa 是一个 A 类型的指针，指向 B 类型的对象。由于 A 的析构函数不是虚函数，当执行 delete aa 时，只会调用 A 的析构函数，而不会调用 B 的析构函数。这意味着 B 对象中可能存在的资源（如动态分配的内存、打开的文件等）无法被正确释放，会造成资源泄漏。
• delete aa1 操作：aa1 是一个 A 类型的指针，指向 A 类型的对象，执行 delete aa1 时，会正常调用 A 的析构函数。

        内存泄漏就是我们的B类中如果存在一个指针new的空间，此时不调用B的析构，就会产生内存泄露了，所以我们需要把析构也弄成重写。

        

        此时就可以了，但是大家可能会发现一个问题，A和B的析构函数的名字不一样啊，为什么会构成重写呢？

        这里我们的析构的名字虽然是类名，但是在底层它们的名字都会处理为destructor，此时就可以了。

        

        此时我们发现都调用了析构了。

2.1.6 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，可以帮助⽤⼾检测是否重写。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。

        

        下面直接写个例子理解吧。

        

        检查了我们这个函数是否为重写函数，是的话就会编译通过，不是的话就会报错，我们图中的两个函数名字不一样，没有构成重写，所以报错了。

        

        基类用final修饰的函数不能被重写，就是这样，我们试图重写它，所以报错了。

2.1.7 重载/重写/隐藏的对⽐

        

        大家可以好好看看理解一下。

        

2.1.8 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。

        

虚函数加上=0，就是纯虚函数，也叫抽象类，不能实例化对象，如图所示。

此时没有重写，都不能实例化对象都是抽象类。

此时重写了就没有什么问题了。

        三.多态的原理

        3.1 虚函数表指针

        

下⾯编译为32位程序的运⾏结果是什么（）

A. 编译报错 B. 运⾏报错 C. 8  D.12

        

大家可以看一下答案是多少。 

这个应该选择D。

我们知道内存对齐原则，就是先把所有类型所占字节大小算出来，int四个字节，char一个字节，一共是五个，因为内存对齐，结果得是最大字节数的倍数，所以是8，但是还存在一个表指针，它在32位下面占4个字节，所以一共是12个字节，所以选择D。

        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。

        我们可以调式的看一下。

        

多个一个_vfptr，这个就是虚函数表指针。

此时的空间还是12，因为表指针只有一个，它指向一块空间，这块空间就是函数指针数组，存放这些函数的地址，我们可以调式的看一下。

此时就存在三个值了，都是存放的函数的指针。

3.2 多态是如何实现的

        

        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。

        

简单来说就是每个类都存在一个虚函数表，每个类共用一个虚函数表。

我们发现这两个Base对象的虚函数指针的地址是一样的。

每个类之间的虚函数表都是独立的，我们的派生类继承了父类的虚函数表，它和真正父类的虚函数表是相对独立的，就是我们重写了哪个方法，这个对应的虚函数表中的地址就要换成重写之后那个函数的地址了，此时就可以完成多态的实现了。

此时我们就可以拿出之前那个例子来说一下了。

上图这个多态这里为什么必须传引用或者指针，而不能传值呢？

这是因为我们传引用和指针都会直接指向我们派生类中的那个虚函数表，如果我们传值的话，我们传入派生类切片，此时就会从派生类中切割处基类的对象，此时就会是基类的虚函数表了，此时存放的还是基类的虚函数的地址，此时我们不管怎么调用都不会实现多态的，一直调用的都是基类的虚函数。

3.3 动态绑定与静态绑定

        

        对不满⾜多态条件(可以是前面的传值传参，直接就确定了类型，此时直接就有了函数的地址)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（就是我们的传引用或者指针），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。

3.4 虚函数表

        

        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。

        这个上面验证过了。

        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。

•        

        看一下这个代码，我们调式一下。

        

        这个派生类的虚函数我们通过调试是看不出来的，可以使用内存来看一下。

        

        我们发现在内存中是可以找到的。

        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。

•

        这个就是上图，从这里面也可以看出来这个结论。

        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。

•

        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)

•

        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。

•

        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)

        

我们发现虚函数的地址更接近我们的常量区，所以它就是存在在我们的常量区的。

四.结束语

         感谢大家的查看，希望可以帮助到大家，做的不是太好还请见谅，其中有什么不懂的可以留言询问，我都会一一回答。  感谢大家的一键三连。