C++进阶：多态（笔记）

[1. 多态相关概念](#1. 多态相关概念)
- [1.1 简述：多态](#1.1 简述：多态)
- [1.2 概念汇总与补充](#1.2 概念汇总与补充)
[2. 多态重写的底层原理](#2. 多态重写的底层原理)
- [2.1 虚函数存储的结构与位置](#2.1 虚函数存储的结构与位置)
- [2.2 重写覆盖](#2.2 重写覆盖)

1. 多态相关概念

1.1 简述：多态

1. 什么是多态

不同的对象去做同一个行为时，得到的结果不同。反应到编程语言中，即为不同类型的对象调用同一个函数，得到的返回值不同。

cpp 复制代码

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

class Children : public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "半票" << endl;
	}
};

void BuyTicket(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}

int main()
{
	Person p1;
	Children p2;
	
	BuyTicket(p1);
	BuyTicket(p2);

	return 0;
}

2. 虚函数

虚函数：被关键字virtual修饰的函数

cpp 复制代码

virtual void func1()
{
	//...
}

3. 构成多态的条件

父类与子类的虚函数必须构成重写关系（三同：函数名，函数参数，函数返回值相同）

必须用父类的指针或者引用去调用虚函数。

4. 多态的特殊情况

协变：父类与子类的虚函数返回值不同，也可以构成重写，只是返回值类型必须为父类/子类（不是同一父类/子类也可以）的指针或者引用。

析构函数即使函数名不同也构成重写，这时因为编译在编译时会将析构函数的名字统一处理为destructor。

特殊的，父类的虚函数加virtual，子类的虚函数不加virtual也构成重写，子类的虚函数被视作实现重写（建议不要省略）。

cpp 复制代码

class A
{
public:
	virtual void func(int a = 1)
	{
		cout << "A->" << a << endl;
	}

	virtual void test()
	{
		func();
	}
};

class B : public A
{
public:
	virtual void func(int a = 0)
	{
		cout << "B->" << a << endl;
	}
};

int main()
{
	B().test();

	return 0;
}

<1> B类因为本身没有进行test函数的重写，所以调用test时会调用从A类继承而来的test。
<2> 调用继承而来的test的时需要使用父类指针进行调用，会发生赋值兼容转换从B类中截断出A类的部分。
<3> 调用的func函数为B类重写A类后的func函数，又因为虚函数的重写是实现重现，会直接继承父类的函数框架，只重写内部的实现。

5. 多态调用与普通调用

普通调用：根据指针/引用的类型，调用指针/引用类型的函数

多态调用：使用父类指针指向子类对象，根据指针/引用指向对象的类型，调用指向对象的函数。

即使父类与子类构成多态，但不采用多态调用的方式，也不会达到多态的效果。

普通函数会在编译时就将函数的地址写入符号表中，而重写的虚函数其地址存储在对象的虚表中，当我们使用多态调用对其进行调用时，则是在运行时从对象的虚表中获得对应虚函数的地址。

6. 补充语法

如何定义实现一个不能被继承的父类：
<1> 使用private私有化构造函数
<2> 使用关键字final修饰父类

cpp 复制代码

class A final
{
	//...
};

关键字override，检查子类是否重写了父类的虚函数，如果没有，会发生报错

cpp 复制代码

class Person()
{
public:
	virtual void func1()
	{
		//...
	}
};

class Student : public Person
{
public:
	virtual void func1() override
	{
		//...
	}
}

7. 含有虚函数的类的大小

cpp 复制代码

class Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "hello world" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
	char _c = 'a';
};

内存对齐：（VS最大对齐数为8）
<1> int（对齐数4），大小 + 4，地址相对位置起始处：0（小于8，取自己；大于8，取8）
<2> char（对齐数1），大小 + 1，地址相对位置起始处：4
<3> 最后空间大小取最大对齐数的整数倍处（取8），8字节

虚函数表指针（虚表指针）：指向虚函数表的指针，虚函数表内存储序函数的地址，虚函数表可以视作一个函数指针数组

含有虚函数的类内部，除开本身包含的成员变量外，还有额外包含一个虚表指针，虚表内存储着这个类所有虚函数的地址。

cpp 复制代码

int main()
{
	Base a;

	return 0;
}

8. 抽象类

包含纯虚函数的类，这种类无法实例化出对象。

继承抽象类的子类必须要对纯虚函数进行重写，重写后子类才能够实例化出对象。

cpp 复制代码

class Car
{
public:
	virtual void Drive() = 0
	{}
};

class Benz : public Car
{
public:
	virtual void Drive()
	{
		cout << "舒适" << endl;
	}
};

class BMW : public Car
{
public:
	virtual void Drive()
	{
		cout << "操控" << endl;
	}
};

1.2 概念汇总与补充

1. 重载，隐藏与重写

重载：会函数的重载，构成重载的函数必须在一个作用域中，且函数名相同，参数类型不同。

隐藏（覆盖）：在父类与子类中的同名函数，在不同的作用域中，参数类型可以不同。

重写（重定义）：在父类与子类中函数名相同，参数类型相同，返回值相同的虚函数（协变例外）。

注：分别在父类作用域与子类作用域的同名函数，不是重写就是隐藏。

2. 内联函数可以作为虚函数

想要能够作为一个虚函数的前提为必须是一个函数，拥有函数地址，可是内联函数在一般情况下不会创建栈帧，会直接在原地展开没有函数地址。

但，特殊的，内联函数在多态调用是不会展开，其也就不再具备内联属性，这里体现了内联函数的双向属性。

3. 静态成员函数与构造函数

静态成员函数没有this指针，而虚函数的调用需要通过父类指针来实现多态调用，运行时也就无法通过虚表指针进行调用，所以静态成员函数不能时虚函数。

构造函数只有在创建对象时的初始化列表中初始化对象，而虚表指针需要在编译阶段就完成初始化，所以构造函数不能是虚函数。

4. 虚函数的调用速度与抽象类

虚函数在进行普通调用时与普通函数的调用方式相同，只有在进行多态调用时，因为在运行时要通过虚表指针去搜索虚函数地址，所以会比普通函数的调用慢。

抽象类强制其子类进行虚函数重写，是一种接口继承的体现。

2. 多态重写的底层原理

2.1 虚函数存储的结构与位置

1. 虚函数的存储结构

cpp 复制代码

class Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "func1" << endl;
	}

	virtual void func2()
	{
		cout << "func2" << endl;
	}

	virtual void func3()
	{
		cout << "func3" << endl;
	}

private:
	int _b = 1;
	char _c = 'a';
};

typedef void(*PTR)();

void Print(PTR* p)
{
	for (int i = 0; p[i]; i++)
	{
		printf("p[%d] = %p\n", i, p[i]);
	}
	p[0]();
	p[1]();
	p[2]();
}

int main()
{
	Base* p = new Base;

	//相近类型才可以发生类型转换
	Print((PTR*)(*((int*)p)));

	return 0;
}

2. 虚函数与虚表指针在内存中的位置

cpp 复制代码

class A
{
public:
	virtual func()
	{}
}

int main()
{
	//栈
	int a = 10;
	//堆
	int* b = new int;
	//静态区
	static int c = 0;
	//常量区
	const char* str = "hello world";
	
	printf("栈：%p\n", &a);
	printf("堆：%p\n", b);
	printf("静态区：%p\n", &c);
	printf("常量区：%p\n", str);
	
	//函数指针
	typedef void (*PTR)();
	
	A d;
	PTR* pd = (PTR*)(*((int*)(&d)));
	printf("虚表指针：%p\n", pd);
	printf("虚函数地址：%p\n", pd[0]);

	return 0;
}

3. 补充

当子类拥有独属于自己的虚函数时，也会将此虚函数的函数指针记录至虚表中，但，监视窗口无法查看。

2.2 重写覆盖

cpp 复制代码

class A
{
public:
	virtual void func1()
	{}
};

class B : public A
{
public:
	//重写/未重写
	//virtual void func1()
	//{}
};

int main()
{
	A* p1 = new A;
	B* p2 = new B;

	return 0;
}

语法上的重写，反映到底层实现上就是函数指针的覆盖。

C++进阶：多态（笔记）

目录

1. 多态相关概念

1.1 简述：多态

1.2 概念汇总与补充

2. 多态重写的底层原理

2.1 虚函数存储的结构与位置

2.2 重写覆盖