【C++】多态 - 技术栈

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

前言

一、多态的概念

[1.1 概念](#1.1 概念)

[2.2 虚函数](#2.2 虚函数)

[1. 协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)](#1. 协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同))

[2. 析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)](#2. 析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同))

父子类析构函数没有加virtual的情况下

父子类析构函数加了virtual的情况下

[2.4 C++11 override 和 final](#2.4 C++11 override 和 final)

[2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比](#2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比)

三、抽象类

[3.1 概念](#3.1 概念)

[3.2 接口继承和实现继承](#3.2 接口继承和实现继承)

[4.4 动态绑定与静态绑定](#4.4 动态绑定与静态绑定)

五、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](#5.1 单继承中的虚函数表)

[5.2 多继承中的虚函数表](#5.2 多继承中的虚函数表)

六、继承和多态常见的面试问题

总结

前言

需要声明的，本节课件中的代码及解释都是在vs2013下的x86程序中，涉及的指针都是4bytes。如果要其他平台下，部分代码需要改动。比如：如果是x64程序，则需要考虑指针是8bytes问题等等

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、多态的概念

1.1 概念

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。

二、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。

在继承中要构成多态还有两个条件：

父子类完成虚函数重写(虚函数重写要求三同：父子类的函数名、参数的类型(变量和缺省值不管)、返回值类型要相同；子类的虚函数重写了父类的虚函数)
父类的指针或者引用去调用虚函数

虚函数重写要求三同：

父子类的虚函数名；
父子类中虚参数的类型(变量和缺省值不管)；
父子类中虚函数的返回值类型要相同。

2.2 虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。------这个与虚函数重写的条件不一样，虚函数重写要求三同。

cpp 复制代码

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)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。

cpp 复制代码

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

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

// virtual关键字只能修饰成员函数，不能用来修饰全局函数，virtual实现出来，只是用来实现多态，全局函数没有多态的概念，
// 多态必须在继承的情况下产生。
//virtual void func()
//{}

 // 多态的特点：指向谁，调用谁的虚函数
 // 满足多态的条件：
 // 1、父子类完成虚函数重写(虚函数重写要求三同：父子类的函数名、参数的类型(变量和缺省值不管)、返回值要相同；
 // 子类的虚函数重写了父类的虚函数)
 // 2、父类的指针或者引用去调用虚函数
void Func(Person* p)
{
	// 不同的对象去做同一件事情，会展现多种形态，结果不一样
	p->BuyTicket();
}

// 大数据杀熟
int main()
{
	Person ps;
	Student st;

	Func(&ps);
	Func(&st);

	return 0;
}

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）

cpp 复制代码

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)

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。

父子类析构函数没有加virtual的情况下

cpp 复制代码

class A {};
class B : public A {};

class Person {
public:
	virtual A* BuyTicket() {
		cout << "买票-全价" << endl;
		return nullptr;
	}

	// destructor()  析构函数悄悄该成destructor，为了子类析构函数够成重写
	 ~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};

class Student : public Person {
public:
	// 派生类可以不写virtual，但是建议写上
  // 原因：将父类的BuyTicket()函数继承下来，就已经有了virtual，再重写这个函数的实现
	virtual B* BuyTicket() {
		cout << "买票-半价" << endl;
		return nullptr;
	}

	// destructor()
	 ~Student()
	{ 
		cout << "delete[]" << _ptr << endl;

		delete[] _ptr;
		cout << "~Student()" << endl;
	}

private:
	int* _ptr = new int[10];
};


int main()
{
	//Person p;
	//Student s;

  // 析构函数建不建议定义成虚函数？
  // person的指针既可以指向父类，也可以指向子类(切片/切割的概念)
  // 采用父类的指针或引用------多态的两个条件之一(还得满足虚函数重写)
	Person* p1 = new Person;
	Person* p2 = new Student;

	// p1->destructor + operator delete(p1)
	// p2->destructor + operator delete(p2)
	// 多态
	// 期望：指向父类调用父类析构
	// 期望：指向子类调用子类析构
	// 结论：建议析构函数定义为虚函数，防止发生内存泄漏
  
  // delete是由：析构函数 + operator delete(p1)构成；operator delete(p1)底层又是由free来构成
  // p1和p2现在不是多态，只能调用person类的析构函数；------没有加virtual
  // 如果不满足多态，p1和p2的指针是什么类型，就调用什么类型的析构函数
	delete p1;
	delete p2;

	return 0;
}

结论：p1和p2不满足多态的话，p1和p2的指针式什么类型，就调用什么类型的析构函数。上述代码中的p1和p2的指针类型都是person*，所有父类的析构函数被调用两次，子类的析构函数没有被调用，而且子类中使用new动态的在堆区上开辟了10个int类型大小的空间，也就没有被释放，造成了空间泄露。

父子类析构函数加了virtual的情况下

cpp 复制代码

class A {};
class B : public A {};

class Person {
public:
	virtual A* BuyTicket() {
		cout << "买票-全价" << endl;
		return nullptr;
	}

	// destructor()  析构函数悄悄该成destructor，为了子类析构函数够成重写
	virtual ~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};

class Student : public Person {
public:
	// 派生类可以不写virtual，但是建议写上
  // 原因：将父类的BuyTicket()函数继承下来，就已经有了virtual，再重写这个函数的实现
	virtual B* BuyTicket() {
		cout << "买票-半价" << endl;
		return nullptr;
	}

	// destructor()
	virtual ~Student()
	{ 
		cout << "delete[]" << _ptr << endl;

		delete[] _ptr;
		cout << "~Student()" << endl;
	}

private:
	int* _ptr = new int[10];
};

int main()
{
	//Person p;
	//Student s;

  // 析构函数建不建议定义成虚函数？
  // person的指针既可以指向父类，也可以指向子类(切片/切割的概念)
  // 采用父类的指针或引用------多态的两个条件之一(还得满足虚函数重写)
	Person* p1 = new Person;
	Person* p2 = new Student;

	// p1->destructor + operator delete(p1)
	// p2->destructor + operator delete(p2)
	// 多态
	// 期望：指向父类调用父类析构
	// 期望：指向子类调用子类析构
	// 结论：建议析构函数定义为虚函数，防止发生内存泄漏
  
  // delete是由：析构函数 + operator delete(p1)构成；operator delete(p1)底层又是由free来构成
  // p1和p2现在不是多态，只能调用person类的析构函数；------没有加virtual
  // 如果不满足多态，p1和p2的指针是什么类型，就调用什么类型的析构函数
	delete p1;
	delete p2;

	return 0;
}

结论：p1和p2满足多态的条件，那么p1和p2指向哪个对象，就调用哪个对象的析构函数。

普通调用：看指针或引用的类型；多态调用：看指向的对象

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。

final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

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。

2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

隐藏和重写的语义是有重叠。它们之间可以是包含关系，隐藏的包含重写。

重写(覆盖)：函数名、函数的参数类型和函数返回值类型相同。

隐藏(重定义)：函数名相同。

三、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。

cpp 复制代码

// 抽象类:不能实例化出对象
// override 已经重写了，帮助检查语法是否有问题
// 抽象类和override的相似之处：间接强制派生类重写虚函数
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;
	}
};

int main()
{
	//Car c;
	Benz b1;
	BMW b2;

  // 抽象类虽然不能实例化出对象，但是它可以使用父类的指针
	Car* ptr = &b1;
	ptr->Drive();
	
	ptr = &b2;
	ptr->Drive();

	return 0;
}

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。

四、多态的原理

4.1虚函数表

cpp 复制代码

// 这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？
class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
private:
	// 虚函数表指针，简称虚表指针(只要有虚函数就有这个)
	int _b = 1;
	char _ch = 'x';
};

int main()
{
	cout << sizeof(Base) << endl;
	Base b;

	return 0;
}

具体如何算出来的可以看自定义类型：结构体

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。那么派生类中这个表放了些什么呢？我们接着往下分析

cpp 复制代码

// 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：

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。
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。
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。
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。
总结一下派生类的虚表生成：
1. a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中
2. 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
3. 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。
这里还有一个同学们很容易混淆的问题：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。但是很多同学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？实际我们去验证一下会发现vs下是存在代码段的，Linux g++下大家自己去验证？

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

cpp 复制代码

class Person {
public:
	void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
private:
	int _i = 1;
};

class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
	int _j = 2;
};

void Func(Person* p)
{
	p->BuyTicket();
}

int main()
{
	Person Mike;
	Func(&Mike);

  // 同类型的对象公用一张虚表
	Person p1;
	Func(&p1);

  // 不同类型的对象都有自己的虚表
	Student Johnson;
	Func(&Johnson);
	return 0;
}

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取找的。
不满足多态的函数调用时编译时确认好的。

4.3、打印一下函数指针数组表

cpp 复制代码

class Base {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
private:
	int a = 1;
};

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 = 2;
};

// 打印对象虚表
typedef void(*VFPTR)();

// 打印函数指针数组
// virtual function table
//void PrintVFT(VFPTR vft[])
void PrintVFT(VFPTR* vft)
{
	for (size_t i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%p->", vft[i]);

		VFPTR pf = vft[i];
		(*pf)();
		//pf();
	}
}
int main()
{
	Base b;
	Derive d;

	//int ptr = (int)d; // 不支持转换，只有有关联的类型才能互相转
	VFPTR* ptr = (VFPTR*)(*((int*)&d));
	// 指针可以随便转：Derive*强制类型转换成int*，解引用int*，就是int；int可以和指针互相转，指针是编号，编号是整型
	PrintVFT(ptr);

	 函数指针
	//void (*p1)();
	//VFPTR p2;

	 函数指针数组
	//void (*pa1[10])();
	//VFPTR pa2[10];
	return 0;
}

多态调用：运行时，到指向对象的虚表中找虚函数调用，指向父类调用父类的虚函数，指向子类调用子类的虚函数；
普通调用：编译时，调用对象是哪个类型，就调用他的函数；
虚表：虚函数表，存的虚函数，目标实现多态；
虚基表：存的当前位置距离虚基类部分的偏移量，解决菱形继承数据冗余和二义性。
进程运行的时候，只关注指令
类不会变成指令，但是类实例化的对象会变成指令
只有函数会变成指令
类仅仅是语法编译的概念，类存放在文件当中的
虚函数跟普通函数一样，都是存在代码段，不是存在虚表的
虚表中存的仅仅是虚函数的地址

虚表存在哪个内存区域的？栈堆常量区(√) 静态区

我们代码演示一下：

cpp 复制代码

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; }
};

int main()
{
	int i = 0;
	static int j = 1;
	int* p1 = new int;
	const char* p2 = "xxxxxxxx";
	printf("栈:%p\n", &i);
	printf("静态区:%p\n", &j);
	printf("堆:%p\n", p1);
	printf("常量区:%p\n", p2);

  // 类对象的头四个字节就是虚表的地址
	Person p;
	Student s;
	Person* p3 = &p;
	Student* p4 = &s;

	printf("Person虚表地址:%p\n", *(int*)p3);// 指针可以随便转换类型
	printf("Student虚表地址:%p\n", *(int*)p4);
	return 0;
}

4.4 动态绑定与静态绑定

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
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。

五、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

cpp 复制代码

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:
	Derive()
	{}

	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
	virtual void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
private:
	int b = 0;
};

int main()
{
	Base b;
	Derive d;// d是在构造函数的时候，指向虚表的

	return 0;
}

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。

cpp 复制代码

typedef void(*VFPTR) ();// 函数指针类型
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
	// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
	cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%p,->", i, vTable[i]);
		VFPTR f = vTable[i];
		f();
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	Base b;
	Derive d;// d是在构造函数的时候，指向虚表的
	
	VFPTR * vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
	PrintVTable(vTableb);
	VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
	PrintVTable(vTabled);
	return 0;
}

5.2 多继承中的虚函数表

cpp 复制代码

// 多继承：一个对象里面可能有多个虚表指针
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(*VFPTR) ();// 函数指针类型
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
	// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
	cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%p,->", i, vTable[i]);
		VFPTR f = vTable[i];
		f();
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	Derive d;
	cout << sizeof(Derive) << endl;

	VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
	PrintVTable(vTableb1);

	VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1)));
	PrintVTable(vTableb2);
	return 0;
}

观察下图可以看出：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

六、继承和多态常见的面试问题

cpp 复制代码

class Base1 { public: int _b1; };
class Base2 { public: int _b2; };
class Derive : public Base2, public Base1 { public: int _d; };

 // 对象模型的内存是如何存放的？
 // 类和对象中：类成员变量按照声明的顺序在内存中存放
 // 继承中：按照先后继承的顺序在内存中存放
int main() {
	Derive d;
	Base1* p1 = &d;
	Base2* p2 = &d;
	Derive* p3 = &d;

	return 0;
}

对象模型的内存是如何存放的？

类和对象中：类成员变量按照声明的顺序在内存中存放；
继承中：按照先后继承的顺序在内存中存放。

什么是多态？答：参考上面内容
什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？答：参考上面内容
多态的实现原理？答：参考上面内容
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。
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。
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。
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。参考上面内容
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。
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。
C++菱形继承的问题？虚继承的原理？答：参考继承内容。注意这里不要把虚函数表和虚基表搞混了。
什么是抽象类？抽象类的作用？答：参考（3.抽象类）。抽象类强制重写了虚函数，另外抽象类体现出了接口继承关系。

总结

好了，本篇博客到这里就结束了，如果有更好的观点，请及时留言，我会认真观看并学习。
不积硅步，无以至千里；不积小流，无以成江海。