深入浅出C++ ——多态

一、多态的概念

  多态即多种形态，具体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：pdd砍一刀，有人砍一刀现金到账了，而有人找一百个人也体现不了，实这背后也是一个多态行为。pdd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pdd。如果你经常使用pdd，那么就不需要太鼓励你。同样动作，不同的用户砍一刀得到的不一样的红包，这也是一种多态行为。

---

二、多态的定义及实现

1. 多态的构成条件

1. 多态是不同继承关系的类对象，调用同一函数而产生了不同的行为。
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。
3. 必须通过基/父类的指针或者引用调用虚函数。

---

2. 虚函数

  虚函数即是被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

// 举例：Person类的成员函数PddAssist(Pdd助力）前面加了virtual修饰
class Person 
{
public:virtual void PddAssist() { cout << "Pdd助力进度50%" << endl;} 
};

3. 虚函数的重写

  虚函数的重写也叫虚函数的覆盖

---

虚函数的重写的条件

1. 派生类中有一个跟基类相同的虚函数
2. 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

  满足上述两个条件称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。派生类类和基类中有同名成员/函数，但是不构成重写，就是隐藏/重定义关系。

---

虚函数的重写属于接口继承

  在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，也可以构成重写，因为虚函数的重写属于接口继承，但是该种写法不是很规范，不建议。父类的基函数去掉virtual的时候，就不构成虚函数重写。

  举例：Person类作为基类，内部有PddAssist虚函数，NewUser和OldUser作为它的派生类，满足重写的要求并且重写了PddAssist函数。

class Person 
{
public:virtual void PddAssist() { cout << "Pdd助力进度50%" << endl;} 
};
class NewUser : public Person 
{
public:virtual void PddAssist() { cout << "Pdd现金已到账" << endl; }
}
class OldUser : public Person 
{
public:virtual void PddAssist() { cout << "Pdd助力进度10%" << endl; }
}

在调用的时候，要注意使用基/父类的指针或者引用调用虚函数

void Func(Person& p)
{p.PddAssist(); 
}
int main()
{Person ps;NewUser nu;OldUser ou;Func(ps);Func(nu);Func(ou); //这里nu和ou切片后传给父类的引用，再调用虚函数return 0;
}

---

4. virtual的使用：

1. 虚继承的virtual是虚继承为了解决数据冗余和二义性
2. 虚函数前面的virtual是为了实现多态
3. 只有成员函数才能加virtual，全局函数不可

---

5. 虚函数重写的两个例外：

一、协变：

  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。

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;}
};

---

二、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，建议在继承中，析构函数都被定义为虚函数。虽然函数名不相同，这里可以理解为编译器对析构函数的名称做了特殊处理，编译后析构函数名统一处理成destructor，从而构成虚函数的重写。

class Person 
{
public:virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};
class NewUser : public Person 
{
public:virtual ~NewUser() { cout << "~Student()" << endl; }
}

---

6. C++11 override 和 final

  override 和 final 是C++11的关键字。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 {} //场景使用及其少
};
class Benz :public Car
{
public:virtual void Drive() {cout << "Benz" << 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" << endl;}
};

---

7. 重载、重写、重定义的对比

• 重载：1.两个函数在同一作用域；2.函数名相同；3.参数不同（类型/顺序/个数）。
• 重写： 重写也称为覆盖。1.两个函数分别在基类和派生类的作用域；2.函数/参数/返回值都必须（协变例外）；3.两个函数必须是虚函数。
• 重定义: 重定义也称为隐藏。1.两个函数分别在基类和派生类的作用域；2.函数名相同；3.两个基类和派生类的同名函数不构成重写就是重定义。

---

三、抽象类

  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 					   //抽象类
{
public:virtual void Drive() = 0; //纯虚函数
};
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;}
};
int main()
{Car* pBenz = new Benz;pBenz->Drive();Car* pBMW = new BMW;pBMW->Drive();
}

  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

1. 虚函数表

class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}
private:int _b = 1;
};int main()
{Base b;return 0;
}

  通过监视窗口可以发现b对象是8bytes，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。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。

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;
}

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，可以看出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. 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函数指针数组，一般情况这个数组最后面放了一个nullptr。
5. 先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中，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，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. 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。
7. 同一个类型的对象共用一个虚表。在VS下，不管是否完成重写，子类虚表和父类虚表都不是同一个。

---

2. 多态的原理

  当符合多态的两个条件时，调用时，到指向对象的虚函数表中找到对应的与函数地址，从而进行调用。

  例如：前一节的Derive类和Base类的Fun1函数完成了函数重载，所以b和d中的虚函数表指针指向的Fun1函数的地址不同，在调用的时候，到指向对象的虚函数表中找到对应的与函数地址，所以p指向谁就调用谁的虚函数，构成多态。

void Func(Base& p)
{p.Func1();
}
int main()
{Base b;Derive d;Func(b);Func(d);return 0;
}

---

3. 静态绑定与动态绑定

1. 静态绑定 又称为前期绑定，属于编译时决议。在程序编译期间确定了程序的行为和函数的地址，也称为静态多态，比如：函数重载。

---

2. 动态绑定 又称后期绑定，属于运行时决议。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。
   

---

五、单继承和多继承关系的虚函数表

1. 单继承中的虚函数表

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;
}

  观察监视窗口中，可以发现看不见func3和func4。这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数，也可以认为是他的一个小bug。但是可以使用代码打印出虚表中的函数。

typedef void(*VFPTR) ();	//VFPTR表示void(*) ()函数指针
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数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]);VFPTR f = vTable[i];f();}cout << endl;
}
int main()
{Base b;Derive d;VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b); //取对象头部虚函数表指针传递过去PrintVTable(vTableb);VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);PrintVTable(vTabled);return 0;
}

  取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，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 int* 的指针，这时指针指向的是虚表地址的前四个字节
2. 再解引用取值，就取到了b对象头4bytes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. 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，只需要点目录栏的-生成-清理解决方案，再编译就好了。

---

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]);VFPTR f = vTable[i];f();}cout << endl;
}int main()
{Derive d;cout << sizeof(d) << endl; //20 ,32位下8+8+4VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);PrintVTable(vTableb1);VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1)));PrintVTable(vTableb2);return 0;
}

  可以看出多继承派生类的未重写的虚函数放在第一个继承基类部分的虚函数表中
  如果Derive类的对象想要使用成员函数fun2时，需要指定作用域访问。

	Derive d;d.Base1::func2();d.Base2::func2();

---

3. 菱形继承、菱形虚拟继承

  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，一般也不需要研究清楚，因为实际中很少用。