【C++笔记】C++多态

一、多态的概念及实现

1.1、什么是多态

多态的概念：

在编程语言和类型论中，多态（英语：polymorphism）指为不同数据类型的实体提供统一的接口。多态类型（英语：polymorphic type）可以将自身所支持的操作套用到其它类型的值上。
计算机程序运行时，相同的消息可能会送给多个不同的类别之对象，而系统可依据对象所属类别，引发对应类别的方法，而有不同的行为。简单来说，所谓多态意指相同的消息给予不同的对象会引发不同的动作。
多态也可定义为“一种将不同的特殊行为和单个泛化记号相关联的能力”。
多态可分为变量多态与函数多态。变量多态是指：基类型的变量（对于C++是引用或指针）可以被赋值基类型对象，也可以被赋值派生类型的对象。函数多态是指，相同的函数调用界面（函数名与实参表），传送给一个对象变量，可以有不同的行为，这视该对象变量所指向的对象类型而定。因此，变量多态是函数多态的基础。

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。

1.2、实现多态的条件

实现多态的两个条件：

1、被调用的函数必须是虚函数，子类对父类的虚函数进行重写 （重写：三同（函数名/参数/返回值）+虚函数）
2、父类指针或者引用去调用虚函数。

举个例子：

这时候就实现了多态，即指向子类对象就调用子类对象的函数，如果指向的是父类对象，就调用的是父类对象的函数：

其实C++这里还有一个特殊情况，就是如果父类的同名函数加上了virtual修饰了，那么子类的同名函数就算不加virtual也是虚函数了，即也构成多态：

但我个人感觉函数加上的好，因为可能会形成误导。

强调：一定要是父类的指针或引用调用，如果是对象就变成了普通调用了：

此外虚函数的重写也还要满足三同：函数名、参数、返回值相同，只要有其中一个不满足也会变成普通调用。

但是这里还有非常尴尬的例外：“协变”，含义是虚函数的返回值类型可以不同，但又一个条件：子类和父类的返回值类型也必须是父子关系指针和引用。：

其实“协变”也是C++常常被诟病的一点，因为它的应用场景实在太局限了，我也是感觉它有点儿多余了，我们只需要了解一下即可。

1.3、实现继承与接口继承

普通函数的继承实际上是一种实现继承，也就是继承了函数的逻辑：
例如：

这里继承的是函数的实现，所以变量_a改变了，输出的结果也就改变了。
而虚函数继承的是函数的接口，也就是父类和子类的接口是一样的，只是实现的逻辑不一样。其目的主要是为了重写，达成多态。
例如：

因为这里继承的只是接口，而实现逻辑是不同的，所以打印出来的内容也就不同。也就实现了多态。
之所以说是子类继承了父类的接口，是因为如果我们改变子类中的虚函数的默认参数是不起作用的：

所以这也就解释了为什么子类的虚函数没有加virtual也依然是虚函数，因为其接口就是继承了父类的。

1.4、多态中的析构函数

我们先来看一个现象：

相信大家都能看出这段代码的问题，这很明显值是一个普通调用。但是它new了一个B对象却只调用了A类的析构函数，这岂不是有内存泄漏的风险？
那该怎么解决这个问题呢？如果要将析构函数也实现成多态的调用的话，那子类和父类的析构函数名不可能相同啊，不是冲突了？

C++正是为了解决这个问题，对构造函数进行了一些处理：
因为多态的原因，编译器在底层会将析构函数的函数名统一处理成destructor()。
所以我们表面上看到的析构函数是是不同名的，实际在底层他们都叫destructor()，所以也就能实现多态了：

1.5、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。
抽象类还有以下三个注意点：

1、子类继承抽象类后也不能实例化出对象，只有重写纯虚函数，子类才能实例化出对象。
2、父类的纯虚函数强制了派生类必须重写，才能实例化出对象。
3、纯虚函数也可以写实现{ }，但没有意义，因为是接口继承，而子类被强制了重写纯虚函数，所以{ }中的实现会被重写；父类没有对象，不能调用父类的实现，所以父类实现纯虚函数也就没有意义了。

其实各种抽象的事物都可以定义成抽象类，比如人、动物、汽车、水果……，也就是它不具体指哪一个事物，只是抽象的代表默写事物的总体特征。

比如说动物：

二、多态的实现原理

这里有一个类，我们试试来求一下它的大小：

首先要说一点，不管是普通成员函数还是虚函数都是不储存在类里面的，都是存在代码段的。
可这里的类的大小为什么是8字节呢？不应该是4字节吗？
说明类里面一定还存了别的什么东西，我们可以到监视窗口看看：

我们会发现除了成员_a之外还多了一个_vfptr的东西，这个其实是一个虚表指针，它的本质是一个数组指针，指向一个函数指针数组，而被指向的这个函数指针数组就是虚表。
由于平台的不同，虚表的位置也有可能不同，有的实在类的最前面有的可能是在类的最后面。
一个含有虚函数的类至少有一个虚表指针。
我们可以到内存中去仔细的看看A类的结构：

然后我们可以来看看虚表中到底有什么：

所以我们可以来打印一下虚表中的内容，看看它们是不是函数的地址，如果是的话试试调用它：

从结果来看确实是函数的地址，因为所有的虚函数的地址都会存进虚表，所以这里会打印四个。

有了上面的铺垫我们就可以来解释多态的真正原理了。
我们先让一个B类继承A类，并重写func函数：

然后我们再取出A类和B类的虚表对比看看：

我们发现两个对象中的虚表里，只有被重写的func()函数的地址不同，而没有重写的print1()的地址则相同。所以虚函数的重写也被称为是虚函数的覆盖(其实是虚函数表的覆盖)。

有了以上的铺垫，在我提出以下结论的时候，才会逻辑自掐：
多态的实现机制其实就是，傻傻地通过虚表指针找到虚表，再找到对应的虚函数。

之所以这种“傻傻”的行为能成功，是因为在父类指针或引用指向子类的时候会发生“切片”：

A类的指针只会指向B对象中A类部分的内容，所以也就只会在A类部分的虚表中查找。就算B类有多张虚表(当B类有多个直接父类时候就会有多张虚表)。父类A的指针通过切片之后也只会指向A类部分。
且因为，虚表的位置在某个类中都是固定的，所以偏移量也都是固定的，所以B类有多少个直接父类，他们父类的指针的寻址操作也都是统一的。