C++多态

1. 多态的概念

1.1 概念
多态的概念：通俗来说，就是多种形态，具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会
产生出不同的状态
举个例子：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，是半价买票；军人
买票时是优先买票。
另外一个例子：
最近为了争夺在线支付市场，支付宝年底经常会做诱人的扫红包-支付-给奖励金的
活动。那么大家想想为什么有人扫的红包又大又新鲜8块、10块...，而有人扫的红包都是1毛，5
毛....。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，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。

2. 多态的定义及实现

2.1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。比如Student继承了
Person。Person对象买票全价，Student对象买票半价。
在继承中要构成多态还有两个条件：
1. 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
2. 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

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数

下面我们看看买票的例子的代码以及结果：

class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:virtual void BuyTicket(){cout << "买票-半价" << endl;}
};
void Func(Person& p)
{p.BuyTicket();
}int main()
{Person p;Student s;Func(p);Func(s);return 0;
}

通过结果我们不难发现这就是多态的影响，下面深入学习多态：

2.3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。

虚函数重写的两个例外：

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时，称为协变。（了解）

可以像下面这样使用：

class A{};
class B : public A {};
class Person {
public:virtual A* f() {return new A;}
};
class Student : public Person {
public:virtual B* f() {return new B;}
};

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。

对于这个程序的结果有人可以有疑问，为什么这里有3个打印结果？

因为子类继承了父类，有父类全部的东西，而这个程序也正好证明了需要先析构了子类，然后在析构父类。在继承的学习中我们就为什么析构函数不要显示写就是这个原因。

2.4 C++11 override 和 fifinal

1. 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;}
};

这段程序就没有办法正常的运行。

2. override: 检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有重写编译报错。

使用方式：

class Car{
public:virtual void Drive(){}
};
class Benz :public Car {
public:virtual void Drive() override {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};

2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

3. 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://抽象类virtual void Drive() = 0;
};
class Benz :public Car
{
public:virtual void Drive(){cout << "Benz-舒适" << endl;}
};
class BMW :public Car
{
public:virtual void Drive(){cout << "BMW-操控" << endl;}
};
void Test()
{Car* pBenz = new Benz;pBenz->Drive();Car* pBMW = new BMW;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。

4.多态的原理

4.1虚函数表

class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}
private:int _b = 1;
};

上面这段程序的sizeof(Base)是多少？

如果是32为那么就是8字节，如果是64位就是16字节。为什么呢？

除了_b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，因为虚函数
的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表。

我们在以上内容中再增加一些：

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;
}

然后我们看看其中的监视窗口：

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，虚
表指针也就是存在部分的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。
3. 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。
4. 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nullptr。
5. 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。
6.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。虚表存在哪的呢？vs下是存在代码段的，我们可以把栈，堆，
数据段，代码段所存储的东西得到大致的地址，然后我们再看虚表的地址就会发现其和代码段
中存的地址很接近，从而得到验证

int main()
{int a = 0;cout << "栈:" << &a << endl;int* p1 = new int;cout << "堆:" << p1 << endl;const char* str = "hello world";cout << "代码段/常量区:" << (void*)str << endl;static int b = 0;cout << "静态区/数据段:" << &b << endl;Base be;cout << "虚表:" << (void*)*((void**)&be) << endl;Derive de;cout << "虚表:" << (void*)*((void**)&de) << endl;return 0;
}

声明这里使用的是64位的计算机，我们可以通过打印他们的地址就能大致得到虚表存储的位置：

虚表的地址和代码段的地址十分接近，因此可以认为虚表存储在代码段。

4.2多态的原理

根据这段代码来讲解：

class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};
void Func(Person& p)
{p.BuyTicket();
}
int main()
{Person p;Func(p);Student s;Func(s);return 0;
}

看出满足多态以后的函数调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象的中取找的。(动态）
不满足多态的函数调用时编译时确认好的（静态）

我们可以通过汇编代码确定这一点：

这里的s是普通调用，而这个p是多态调用，看看其中的反汇编的区别：

多态调用很明显就是得到了虚表指针之后通过解引用得到函数的地址，再去调用。

从上面的反汇编我们就可以看出来，普通调用是编译时就已经确定了函数的地址，而多态调用就是在运行时才能得到地址并调用。

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。

5.单继承和多继承关系的虚函数表

class Base { 
public :virtual void func1() { cout<<"Base::func1" <<endl;}virtual void func2() {cout<<"Base::func2" <<endl;}
private :int a;
};
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;
};
int main()
{Base b;Derive d;return 0;
}

我们在监视窗口不能得到func3以及func4的虚表：

这时我们可以自己将func3以及func4在虚表中的地址打印出来：

打印思路：本计算机是64位，指针大小为8字节
取出b、d对象的头8bytes，就是虚表的指针，前面我们说了虚函数表本质是一个存虚函数
指针的指针数组，这个数组最后面放了一个nullptr
1.先取b的地址，强转成一个void**的指针，解引用就是指针，指针的大小会根据平台决定大小。
2.再解引用取值，就取到了b对象头8bytes的值，这个值就是指向虚表的指针
3.再强转成VFptr*，因为虚表就是一个存VFptr类型(虚函数指针类型)的数组。
4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表

5.2 多继承中的虚函数表

class Base1 {
public:virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; }
private:int b1;
};
class Base2 {
public:virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; }
private:int b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
private:int d1;
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i){printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);vTable[i]();}cout << endl;
}
int main()
{Derive d;VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(void**)&d);PrintVTable(vTableb1);//因为这里要跳过一个base的大小才能得到虚表的指针VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(void**)((char*)&d + sizeof(Base1)));PrintVTable(vTableb2);return 0;
}

看看结果：

5.3. 菱形继承、菱形虚拟继承

实际中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，实际中很少使用。

看一道恶心的题：

class A
{
public:virtual void func(int val = 1) { std::cout << "A->" << val << std::endl; }virtual void test() { func(); }
};class B : public A
{
public:void func(int val = 0) { std::cout << "B->" << val << std::endl; }
};int main(int argc, char* argv[])
{B* p = new B;p->test();return 0;
}

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

这题答案是B，这里体现了接口继承，就是B继承了A的时候继承了A的func的接口，所以最后的答案是B