【C++进阶】C++多态概念详解

一，多态概念

上节我们看了继承，现在我们来看多态。

那么什么是多态呢？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，对于买票这件事，一个成人去买的话是全票，但如果是学生则半价，在这件事中成人和学生都可以买票，但是不同的人买，票价却不同，这就是一种多态行为。

二，多态的定义

2.1 多态构成的条件

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。

在继承中构成多态要满足两个条件：

1. 在子类中对父类的虚函数进行重写，且必须调用。
2. 通过父类的指针或者引用调用虚函数

那什么是虚函数及什么是重写，我们下面就来讲解

2.2 什么是虚函数

其实虚函数就是加上virtual的函数， 比如下面的代码：

class Person {
public:virtual void BuyTicket(){cout << "买票-全价" << endl;}
};

2.3 虚函数的重写

虚函数要完成重写，那么重写就是子类中有一个和父类一样的虚函数，这个虚函数要求：

函数名，返回值类型，参数列表相同

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; }
};

2.3.1 虚函数重写的特例

虚函数的重写有两个特例：

1. 协变----->重写的虚函数的类型可以不一样，但是要是父子类关系的指针或者引用

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;}
};

B这个类是A类的子类，Student类是Person的子类，且都有虚函数f()，但是这两个虚函数的类型分别是A，B父子类的指针，这就是协变。

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2. 析构函数的重写 ----->父子类的析构函数会被统一成destuctor，如果不加virtual构成重写，则会构成隐藏，不会调用到父类的析构函数，进而造成内存泄漏（子类的资源没有释放完）

class Person {
public:virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};
class Student : public Person {
public:virtual ~Student() {cout << "~Student()" << endl;}
};
// 只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数，下面的delete对象调用析构函
//数，才能构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确的调用析构函数。
int main()
{Person* p1 = new Person;Person* p2 = new Student;delete p1;delete p2;return 0;
}

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3. 虚函数重写时，父类加了virtual，而子类不加virtual也构成重写（建议加上）

class Person {
public:virtual void BuyTicket() {cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:void BuyTicket() {cout << "买票-半价" << endl; }
};

2.3.2 override和final

C++中对于重写的要求比较严格，所以有了这两个关键字来检测是否重写

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现在有这样一个问题：如何实现一个类，让其不能被继承
有两种办法：

1. 让父类的构造函数私有，以为子类的构造要用到父类的构造，但是这样会让子类不能实例化出对象
2. 用final修饰为最终类

final也可以修饰虚函数，修饰后不能被重写！

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override加在派生类后面检查是否完成重写

2.4 重载和重写（覆盖）和重定义（隐藏）的区别

重载我们在前面学过，重写在原理层面也叫覆盖，上一节讲的隐藏也叫重定义。

看下面的图我们可以看到三者的区别：

其实更深层次来看重写就是一种特殊的重定义！

三，抽象类

3.1 概念

我们先来看什么是纯虚函数，就是在虚函数后面加上 = 0 ，

virtual void fun () = 0

包含纯虚函数的类叫抽象类（接口类），并且抽象类不能实例化对象。

抽象类就像某类事物抽象出来的一个特征，不是一个具体的东西。例如车是一个抽象类，但是像宝马，奥迪，奔驰是车这个抽象类继承的具体的可实例化的类。

抽象类的派生类必须重写虚函数，否则不能实例化，因为不重写子类仍然时抽象类，（间接强制子类重写虚函数）

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，派生类继承基类函数，继承了实现为了复用

虚函数的继承是一种接口继承，继承了父类的接口为了重写实现，达成多态。

四，多态的原理

普通函数和虚函数都是存在代码段的，谈到多态的原理我们就不得不说下类对象的存储设计
如下图：
一个类中存放着一个指向类成员函数表的指针，而这个表中存放的是函数的地址，多态的原理就和这种存储结构息息相关。

4.1 虚函数表

先来试想一下如何计算一个有虚函数的类的大小：

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

运行后我们可以发现

这是为什么呢？

这是因为Base这个类中除了_b这个成员外，还有一个指针_vfptr，这个指针是虚函数表指针（虚表指针），指向的是虚函数指针数组。

那么这个指针指向的表是干嘛的呢，我们继续来分析，我们让派生类Derive去继承Base类，并且增加虚函数。

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;
}

经过调试我们可以看到

在Base和Derive类中都有_vfptr指针，指向了一张表，里面貌似存放了虚函数。而且Derive的这个表里第一个存放的是重写的虚函数，第二个存放的是Base的第二个虚函数。

其实这个表是虚函数表（virtual function table），虚表中存储的是虚函数的地址（指针）。
派生类的虚函数表继承自父类的虚函数表，但是会用其自己的虚函数覆盖虚表中第一个位置（所以虚函数的重写也叫覆盖）

重写时语法层面的，覆盖是原理层面的

虚表以空结尾，并且虚函数存放的顺序和声明的顺序一致

派生类有两部分，一部分是父类的，一部分是自己的，派生类没有自己单独的虚表，而是继承的父类的，拷贝父类的虚函数表，并覆盖自己重写的虚函数

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知道了虚表的存在后，我们继续探索。

如果派生类有一个自己的虚函数呢 ？ 会在虚表里怎么存放

虚函数表是存放在常量区的，在编译时生成好的，虚表指针的初始化是在构造函数初始化列表最前面（所有对象初始化之前）。

同类型的对象共享一个虚函数表

4.2 多态调用的底层原理

如何做到指向父类调用父类虚函数，指向子类调子类呢？

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 Mike;Func(Mike);Student Johnson;Func(Johnson);return 0;
}

运行后可以看到：

由上面的图可知，指向父类时，会在父类的虚函数表中查找对应的虚函数。 指向子类时，会在切割后的父类（子类中完成对父类虚函数重写）的虚函数表中查找已经被覆盖的对应的子类的虚函数

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总结一下就是，多态调用就是在运行时去虚函数表中找虚函数的地址来进行调用，所以可以达到指向父类调父类，指向子类调子类虚函数。

如果去掉 virtual ，则是普通调用，在编译时通过调用者的类型确定函数的地址

4.3 静态绑定和动态绑定

简单来说，静态就是编译时，动态就是运行时，

静态绑定是在编译时确定程序的行为，也叫静态多态（函数重载），
动态绑定是在程序运行期间确定程序行为

五，单继承和多继承的虚函数表

在单继承和多继承关系中，我们关注的是派生类对象的虚表模型，因为基类的虚表模型前面我们已经看过了，没什么需要特别研究的。

5.1 单继承的虚函数表

看下面的代码：

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;
};

单继承就是将基类的虚函数表拷贝下来，将自己重写的虚函数覆盖。

5.2 多继承的虚函数表

假设一个派生类继承了两个基类，计算这个派生类的大小

看下面的代码：

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;
};int main() {Derive d;return 0;
}

派生类继承了两个基类的虚表，所以说有两张虚表，并且同时覆盖了重写的虚函数地址，如果派生类有自己的虚函数，那么这个虚函数的地址放在继承的第一张虚表中。

六，继承和多态的常见问题

1. 内联函数也可以是虚函数，当内联函数是普通调用时，其内联属性还在，当多态调用时，会失去其内联属性。
2. 静态成员函数不能是虚函数，因为没有this指针，无法访问虚函数表。
3. 构造函数不能是虚函数，因为虚表指针是在构造函数初始化列表之前初始化的