C++之多态

·1. 多态的概念
·2. 多态的定义及实现
·3. 抽象类
·4. 多态的原理

1. 多态的概念

多态的概念：通俗来说，就是多种形态，具体点就是当不同的对象去完成某个行为时会产生出不同的状态。

举个栗子：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。
再举个栗子： 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或者支付宝账户中常年没钱，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，这可能也是一种多态行为。

总结一下就是：不同类型的对象，去完成同一件事情，产生的动作是不一样的，结果也是不一样的。

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。
那么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

总结上图：

父类的指针或引用指向父类对象，调用父类的虚函数。

父类的指针或引用指向子类对象，调用子类的虚函数。

效果：调用函数跟对象有关，指向哪个对象调用谁的虚函数.

2.2 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; }
};

注意：只有非静态类成员函数可以是虚函数，普通函数不可以加virtual.

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)，称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。

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：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因为继承后
基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性),但是该种写法不是很规范，不建议这样使用*/
	/*void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }*/
};
void Func(Person& p)
{
	//传不同类型的对象，调用的是不同的函数，实现了调用的多种形态
	p.BuyTicket();
}
int main()
{
	Person ps;//普通人
	Student st;//学生
	Func(ps);
	Func(st);
	return 0;
}

或者传指针也是一样：

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：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因为继承后
基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性),但是该种写法不是很规范，不建议这样使用*/
	/*void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }*/
};
void Func(Person* p)
{
	//传不同类型的对象，调用的是不同的函数，实现了调用的多种形态
	p->BuyTicket();
}
int main()
{
	Person ps;//普通人
	Student st;//学生
	Func(&ps);
	Func(&st);
	return 0;
}

函数运行结果：

正常的虚函数重写，要求虚函数的函数名，参数，返回值都要相同，但是又两个例外。

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）

class A {};
class B : public A {};
class Person {
public:
	virtual A* f() 
	{
		cout << "A* Person::f()" << endl;
		return new A; 
	}
};
class Student : public Person {
public:
	virtual B* f() 
	{
		cout << "B* Student::f()" << endl;
		return new B; 
	}
};
int main()
{
	Person p;
	Student s;
 
	Person* ptr;
	ptr = &p;
	ptr->f();
 
	ptr = &s;
	ptr->f();
 
	return 0;
}

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。

class Person 
{
public:
	//建议把父类析构函数定义成虚函数
	//这样子类的虚函数方便重写父类的虚函数
	virtual ~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};
class Student : public Person 
{
public:
	//Student和Person析构函数的函数名，看起来不同，但是他们构成虚函数重写
	virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
int main()
{
	//在下面这种普通场景下，父子类的析构函数是否构成重写都不重要
	//Person p;
	//Student s;
 
	// 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。
	Person* p1 = new Person;
	Person* p2 = new Student;
	delete p1;
	delete p2;
 
	return 0;
}

 只有析构函数重写了，那么这里delete父类指针，调用析构函数，才能实现多态。

指向父类，调用父类析构函数。指向子类，调用子类析构函数，才能实现正确调用。

3.子类的虚函数可以不加virtual也算完成了重写,但是父类重写的函数不加virtual就不行。

因为子类是先继承父类的虚函数，继承下来以后有virtual属性了，子类只有重写这个virtual函数。(C++这样设计的理由：如果父类的析构函数加了virtual，子类加不加virtual都一定完成了重写，就可以保证delete时一定能实现多态的正确调用析构函数)

class Person 
{
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person 
{
public:
	//子类的虚函数，不写virtual，也可以认为他是虚函数，完成了重写
	void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};
void Func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}
int main()
{
	Person ps;
	Student st;
 
	Func(ps);
	Func(st);
	return 0;
}

2.4 C++11 override 和 final

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。
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 {}//final加到父类虚函数中不允许被重写
};
class Benz :public Car
{
public:
	virtual void Drive() //这个地方会报错，final不允许重写
	{ cout << "Benz-舒适" << endl; }
};

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

class Car {
public:
	virtual void Drive() {}
};
class Benz :public Car {
public:
	virtual void Drive() override //override加到子类虚函数检查是否完成重写，如果没有完成就会报错
	{ 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。

//抽象类 -- 不能实例化出对象
//可以更好地去表示现实世界中没有实例对象对应的抽象模型，比如：植物，人，动物等比较泛型的东西
//体现接口继承，强制子类重写虚函数(如果子类不重写，子类也是抽象类)
class Car
{
public:
	//纯虚函数
	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

// 这里看一道概念题：sizeof(Base)是多少？
class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
	char _ch = '\0';
};
int main()
{
	Base b;
	cout << sizeof(b) << endl;
	return 0;
}

通过观察测试我们发现b对象是12bytes，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。

(ps:注意：这里跟前面菱形继承中的虚拟继承是不一样的，他们之间虽然都用到了virtual关键字，但是他们的使用场景完全不一样，解决的问题也是不一样的，两者之间没有关联，虚继承产生的叫做虚基表，虚基表里面存的距离虚基类的偏移量.)

那么派生类中这个表放了些什么呢？我们接着往下分析

// 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Func3
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;
}

 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，另一部分是自己的成员。一个类中所有的虚函数地址，都会放到虚表中.
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,标识虚表的结束。
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。d.vs会在虚表结束位置放一个空指针表示虚表结束了。

6.对象中虚表指针在什么阶段初始化的呢？构造函数初始化列表

7.虚表是在什么阶段生成的呢？编译时就生成了

8. 这里还有一个很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？ 答：虚函数存在虚表，虚表存在对象中。注意上面的回答的错的。但是很多童鞋都是这样深以为然的。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？下面我们想办法写一段程序论证一下虚表存在哪个区域。

根据观察发现，虚表地址跟接近代码段地址，所以得出结论，在vs下虚表也是存在代码段的. 

4.2多态的原理

上面分析了这个半天了那么多态的原理到底是什么？还记得这里Func函数传Person调用的
Person::BuyTicket，传Student调用的是Student::BuyTicket

思考：为什么多态的条件之一必须是父类的指针或者引用去调用呢？父类对象为什么又不可以呢？

先给出结论：

答：如果是指针或者引用，切片时指向或者引用父类和子类对象中切出来的那一部分；如果是父类对象的话，切片只会拷贝成员变量过去，不会拷贝vfptr过去。这个问题我们下面来验证一下。

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. 再通过下面的汇编代码分析，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去找的。不满足多态的函数调用时编译时确认好的。 

 

 还需要注意一个问题，同类型的对象，虚表是一样的，他们共享同一张虚表.

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

5.1 单继承中的虚函数表

下面给出一段单继承的代码：

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;
};

观察下图中的监视窗口中我们发现看不见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。那么我们如何查看d的虚表呢？下面我们使用代码打印出虚表中的函数。 

给出打印函数的代码：

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;
};
typedef void(*VFunc)(); //定义函数指针
void PrintVFT(VFunc* ptr)  //指针数组
{
	printf("虚表指针:%p\n", ptr);
	for (int i = 0; ptr[i] != nullptr; i++)
	{
		printf("VFun[%d]:%p->", i, ptr[i]);
		ptr[i](); //利用函数指针直接访问函数
	}
	printf("\n");
}
int main()
{
	Base b;
	PrintVFT((VFunc*)(*(int*)(&b)));
 
	// 思路：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
	// 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VFunc*，因为虚表就是一个存VFunc类型(虚函数指针类型)的数组。
	// 4.虚表指针传递给PrintVFT进行打印虚表
	Derive d;
	PrintVFT((VFunc*)(*(int*)(&d)));
	return 0;
}

运行结果：

 

5.2 多继承中的虚函数表

下面给出一段打印多继承的虚函数表的代码：

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;
};
typedef void(*VFunc)(); //定义函数指针
void PrintVFT(VFunc* ptr)  //指针数组
{
	printf("虚表指针:%p\n", ptr);
	for (int i = 0; ptr[i] != nullptr; i++)
	{
		printf("VFun[%d]:%p->", i, ptr[i]);
		ptr[i](); //利用函数指针直接访问函数
	}
	printf("\n");
}
int main()
{
	Base1 b1;
	Base1 b2;
	//PrintVFT((VFunc*)*((int*)(&b1)));
	//PrintVFT((VFunc*)*((int*)(&b2)));
 
	Derive d;
	PrintVFT((VFunc*)(*(int*)(&d)));
	PrintVFT((VFunc*)(*(int*)((char*)&d+sizeof(Base1))));//拿到Base2的虚表地址要加Base1的大小，并且要讲虚函数地址强转为char*
	return 0;
}
 

观察打印结果可以看出：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

 下面通过一封抽象图来观察多继承：

 

5. 概念查考

下面哪种面向对象的方法可以让你变得富有( A )
A: 继承 B: 封装 C: 多态 D: 抽象

下面程序输出结果是什么? （）

#include<iostream>
using namespace std;
class A 
{
public:
	A(char *s) { cout << s << endl; }
	~A() {}
};
class B :virtual public A
{
public:
	B(char *s1, char*s2) 
		:A(s1) 
	{ cout << s2 << endl; }
};
class C :virtual public A
{
public:
	C(char *s1, char*s2) 
		:A(s1) 
	{ cout << s2 << endl; }
};
class D :public B, public C
{
public:
	D(char *s1, char *s2, char *s3, char *s4) 
		:B(s1, s2)
		,C(s1, s3)
		,A(s1)
	{
		cout << s4 << endl;
	}
};
int main() 
{
	D *p = new D("class A", "class B", "class C", "class D");
	delete p;
	return 0;
}

A：class A class B class C class D B：class D class B class C class A
C：class D class C class B class A D：class A class C class B class D

答：A.

解析：初始化列表中声明顺序为BCA，根据继承关系会去分别依次执行BCA的构造函数，最后才会进入到D自己的构造函数体内.

注：初始列表执行顺序跟声明有关，继承成员声明顺序是按继承顺序算的。

以下程序输出结果是什么（）

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

答：B

解析：

多继承中指针偏移问题？下面说法正确的是( )

class Base1 { public: int _b1; };
class Base2 { public: int _b2; };
class Derive : public Base1, public Base2 { public: int _d; };
int main(){
Derive d;
Base1* p1 = &d;
Base2* p2 = &d;
Derive* p3 = &d;
return 0;
}

A：p1 == p2 == p3 B：p1 < p2 < p3 C：p1 == p3 != p2 D：p1 != p2 != p3

解答：

1.inline函数可以是虚函数吗？

答：可以，不过编译器就忽略inline属性，这个函数就不再是inline，因为虚函数要放到虚表中去。
2. 静态成员可以是虚函数吗？

答：不能，因为静态成员函数没有this指针，使用类型::成员函数的调用方式无法访问虚函数表，所以静态成员函数无法放进虚函数表。
3. 构造函数可以是虚函数吗？

答：不能，因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始化的。

定义虚函数的目的是构成多态，多态调用要去对象的虚表中找到虚函数。构造函数初始化阶段，对应的虚表指针都没有初始化，没有办法找到虚表。
4. 析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？

答：可以，并且最好把基类的析构函数定义成虚函数
5. 对象访问普通函数快还是虚函数更快？

答：首先如果是普通对象，是一样快的。如果是指针对象或者是引用对象，则调用的普通函数快，因为构成多态，运行时调用虚函数需要到虚函数表中去查找。
6. 虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？

答：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。

7. 什么是抽象类？抽象类的作用？

答：抽象类强制重写了虚函数，因为如果子类不重写虚函数，子类也是抽象类，无法实例化对象，其次抽象类可以用来表示现实世界中没有具体实例化对象的模型。另外抽象类体现出了接口继承关系。