[C++]多态详解

目录

一、多态的概念

二、静态的多态

三、动态的多态

3.1多态的定义

3.2虚函数

四、虚函数的重写（覆盖）

4.1虚函数

4.2三同

4.3两种特殊情况

（1）协变

（2）析构函数的重写

五、C++11中的final和override

5.1-C++98防止一个类被继承的方法

5.2-C++11final关键字

5.3-C++11override关键字

六、重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

七、抽象类（接口类）

7.1概念

7.2接口继承和实现继承

八、多态的实现原理

8.1虚函数表

8.2虚函数表的生成

8.3多态的原理

8.4动态绑定与静态绑定

九、单继承和多继承关系的虚函数表

9.1单继承中的虚函数表

9.2多继承中的虚函数表

十、问答题

1. 什么是多态？

2. 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？

3、多态的实现原理？

4、inline可以是虚函数吗？

5、静态成员可以是虚函数吗？

6、构造函数可以是虚函数吗？

7、析构函数可以是虚函数吗？

8、对象调用普通成员函数快还是虚函数快？

9.、虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？

10、C++菱形继承的问题？虚继承的原理？ 

11、什么是抽象类？抽象类的作用？ 

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一、多态的概念

 多态指多种形态。不同的对象完成同一件事情，但是结果不同。例如公交刷卡行为：成人刷卡全价，学生刷卡半价。亦或是不同的客户来消费，金卡会员8折，银卡会员9折，普通会员无折扣。

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二、静态的多态

静态的多态是在编译时产生不同。例如函数重载就是一种静态的多态行为。看上去是在调用同一个函数，但是会产生不同的行为。

int main()
{int a=1;double b=2.3;std::cout<<a<<std::endl;std::cout<<b<<std::endl;return 0;
}

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三、动态的多态

3.1多态的定义

        动态的多态是在运行时产生不同。

        构成多态的条件：缺一不可，否则就不构成多态。

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

3.2虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

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;}
};

注意虚函数和虚继承虽然都使用了virtual关键字，但是它们没有关系。

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四、虚函数的重写（覆盖）

总结：构成重写的条件：虚函数 + 三同 + 两种特殊情况；

4.1虚函数

子类重写父类虚函数时，子类“三同”函数不写virtual也构成重写，但是不规范。C++设计者的初衷是父类写了virtual，即使子类不写，也构成多态，那就不会出现内存泄漏的情况了。

父类的 virtual 一定不能省略 – 虚函数的继承是接口继承，也就是说，子类中继承得到的虚函数和父类虚函数的函数接口是完全相同的，而子类如果对虚函数进行重写，重写的也只是虚函数的实现，并没有改变虚函数的接口，所以即使我们不加 virtual 子类虚函数的类型也和父类一样，是虚函数类型。为了程序的可读性，我们建议子类虚函数也加上 virtual。

我们在继承关系中，建议子类虚函数加上 virtual，而可以无脑地将父类析构定义为虚函数。（理由下面会讲解）

4.2三同

返回值类型、函数名称、参数列表均相同。

4.3两种特殊情况

（1）协变

构成重写需要成员函数返回值相同，但是存在例外，当返回值是构成父子关系的指针或引用时，它们也构成重写。但是父类返回值一定要用父指针/父引用，子必须用子指针/子引用，不能颠倒。

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，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。

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。

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;

父子构造函数构成多态，那就不看p1p2的类型了，p1p2指向哪个对象，就调用哪个对象的析构函数。

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五、C++11中的final和override

从上面可以看出，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。

5.1-C++98防止一个类被继承的方法

class Person
{
public:static Person CreateObj(){//new Person;return Person();}
private:Person(){}
};
class Student : public Person
{
public: 
};
int main()
{Person p=Person::CreateObj();return 0;
}

C++98通过把构造函数变为私有的方式，让子类继承后根本构造不出父类对象。

但是父类却可以通过静态的“偷家”函数构造对象。

5.2-C++11final关键字

（1）final修饰类，防止该类被继承

class Person final
{
public:
};

（2）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;}};

5.3-C++11override关键字

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-舒适" << endl;}};

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六、重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

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七、抽象类（接口类）

7.1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: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();}

抽象类的作用是强制子类进行重写。

7.2接口继承和实现继承

普通函数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。接口继承会继承父类的类作用限定符和缺省参数。

所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

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八、多态的实现原理

8.1虚函数表

这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？
class Base{public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}private:int _b = 1;};

通过观察测试我们发现b对象是8bytes，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。

8.2虚函数表的生成

针对上面的代码我们做出以下改造
1、我们增加一个派生类Derive去继承Base
2、Derive中重写Func1
3、Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3class 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;cout << "Derive::Func1()" << endl;return 0;}

通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：

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. 这里还有一个童鞋们很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？ 答：

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。那么虚表存在哪的 呢？实际我们去验证一下会发现vs下是存在代码段的。

8.3多态的原理

 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;}

 1. 观察下图的红色箭头我们看到，p是指向mike对象时，p->BuyTicket在mike的虚表中找到虚 函数是Person::BuyTicket。

2. 观察下图的蓝色箭头我们看到，p是指向johnson对象时，p->BuyTicket在johson的虚表中 找到虚函数是Student::BuyTicket。

3. 这样就实现出了不同对象去完成同一行为时，展现出不同的形态。

4. 反过来思考我们要达到多态，有两个条件，一个是虚函数覆盖，一个是对象的指针或引用调 用虚函数。反思一下为什么？

5. 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。不满足多态的函数调用时编译时确认好的。

8.4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。

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九、单继承和多继承关系的虚函数表

9.1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;};

9.2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;};

观察上图可以看出：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。

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十、问答题

1. 什么是多态？

多态指多种形态。不同的对象完成同一件事情，但是结果不同。例如公交刷卡行为：成人刷卡全价，学生刷卡半价。亦或是不同的客户来消费，金卡会员8折，银卡会员9折，普通会员无折扣。

2. 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？

函数重载：（1）两个函数在同一作用域

                  （2）函数名相同，参数列表不同，返回值没有要求；

重写： （1）两个函数必须位于子类和父类中

           （2）函数名、参数列表、返回值必须相同(协变除外)

           （3）两个函数均为虚函数；

隐藏：（1）两个函数必须位于子类和父类中

           （2）函数名相同

           （3）不构成重写，就构成隐藏。

3、多态的实现原理？

对于多态的实现原理，必须先从构成多态的条件说起：

1、必须通过父类对象的引用或指针当做形参调用虚函数。

2、子类必须完成对父类虚函数的重写且被调用的函数是虚函数。

        子类和父类的虚函数表指针、虚函数表、重写的虚函数的地址均不相同，我们传入一个父类对象，它使用的是源自父类的虚函数，传入一个从子类切片而来的父类对象，这个对象中的虚函数是子类重写的虚函数。虽说这两个都是父类对象，但是对象体内的虚函数并不是同一个，所以会产生不同的行为，这便是多态的原理。

4、inline可以是虚函数吗？

 inline可以是虚函数。调用时，如果不构成多态，这个函数就保持inline属性。如果构成多态，就不具备inline属性，因为多态是要在运行时去对象的虚函数表里面找虚函数，所以在编译时，不能使用inline进行展开。

5、静态成员可以是虚函数吗？

静态成员不能是虚函数。因为静态成员没有this指针，在外部可以直接使用类名::成员函数的方式对静态成员函数进行调用，但是调用虚函数需要通过对象才能找到虚函数表，所以静态成员不能是虚函数。

6、构造函数可以是虚函数吗？

构造函数不能是虚函数。因为对象的虚函数表指针是在构造函数的初始化列表中进行初始化。（先有鸡还是先有蛋的问题）

7、析构函数可以是虚函数吗？

构函数可以是虚函数，用于处理子类对象交给父类的指针管理的情况。

8、对象调用普通成员函数快还是虚函数快？

如果不构成多态，即使是虚函数，也是在编译阶段确定调用地址，速度一样快；但是一旦构成多态，编译器在运行时通过对象去虚函数表中确定虚函数的调用地址，这个时候就是普通函数快了。

9.、虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？

 虚函数表是在编译阶段就生成的，一般情况 下存在代码段(常量区)的。

10、C++菱形继承的问题？虚继承的原理？ 

注意这里不要把虚函数表和虚基表搞混了。

菱形继承有数据冗余和二义性的问题。

通过虚基表指针找到虚基表，虚基表中存的数据偏移量。再通过偏移量可以找到有冗余和二义性的数据。

11、什么是抽象类？抽象类的作用？ 

抽象类又称接口类。包含纯虚函数的类被称为抽象类，在虚函数后边加个=0，这个虚函数就被叫做纯虚函数。抽象类不能实例化出对象。在现实世界中没有对应的实物，就可以定义为抽象类。例如职能类、Person类等。

 抽象类强制重写了虚函数，另外体现接口继承的关系。子类继承抽象类后，也变成了抽象类。这就强制用户对纯虚函数进行重写，对虚函数的重写是一种接口继承，子类会继承虚函数的函数名及缺省值，但不会继承实现。