深入浅出C++多态：从虚函数到动态绑定的完全指南

目录

[1. 多态的概念](#1. 多态的概念)

[2. 多态的定义及实现](#2. 多态的定义及实现)

[2.1 多态的构成条件](#2.1 多态的构成条件)

[2.2 虚函数](#2.2 虚函数)

[2.3 虚函数的重写/覆盖](#2.3 虚函数的重写/覆盖)

[2.4 多态场景的一个经典选择题](#2.4 多态场景的一个经典选择题)

[2.5 虚函数重写的⼀些其他问题](#2.5 虚函数重写的⼀些其他问题)

[2.6 override 和 final关键字](#2.6 override 和 final关键字)

[2.7 重载/重写/隐藏的对⽐](#2.7 重载/重写/隐藏的对⽐)

[3. 纯虚函数和抽象类](#3. 纯虚函数和抽象类)

[4. 多态的原理](#4. 多态的原理)

[4.1 虚函数表指针](#4.1 虚函数表指针)

[4.2 多态的原理](#4.2 多态的原理)

[4.2.1 多态是如何实现的](#4.2.1 多态是如何实现的)

[4.2.2 动态绑定与静态绑定](#4.2.2 动态绑定与静态绑定)

[4.2.3 虚函数表](#4.2.3 虚函数表)

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1. 多态的概念

多态(polymorphism)的概念：通俗来说，就是多种形态。多态分为编译时多态(静态多态)和运⾏时多态(动态多态)，这⾥我们重点讲运⾏时多态，编译时多态(静态多态)和运⾏时多态(动态多态)。编译时多态(静态多态)主要就是我们前⾯讲的函数重载和函数模板，他们传不同类型的参数就可以调⽤不同的函数，通过参数不同达到多种形态，之所以叫编译时多态，是因为他们实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的，我们把编译时⼀般归为静态，运⾏时归为动态。

运⾏时多态，具体点就是去完成某个⾏为(函数)，可以传不同的对象就会完成不同的⾏为，就达到多种形态。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，是优惠买票(5折或75折)；军⼈买票时是优先买票。

2. 多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

多态是⼀个继承关系的下的类对象，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对象优惠买票。

实现多态还有两个必须重要条件：

• 必须是基类的指针或者引⽤调⽤虚函数

• 被调⽤的函数必须是虚函数，并且完成了虚函数重写/覆盖。

2.2 虚函数

类成员函数前⾯加virtual修饰，那么这个成员函数被称为虚函数。注意非成员函数不能加virtual修饰。

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

2.3 虚函数的重写/覆盖

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。

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）

#include<iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
	void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
 //运行结果可知，不加virtual依旧构成多态
};
void Func(Person* ptr)
{
	// 这⾥可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket
	// 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。
	ptr->BuyTicket();
}
int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	Func(&ps);
	Func(&st);
	return 0;
}

2.4 多态场景的一个经典选择题

以下程序输出结果是什么（）

A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确

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;
}

答案：B

解析：

按照上图的思路，那答案应该是 D: B->0, 为什么是，B: B->1呢？

其实啊，在满足多态的时候重写函数是重写定义，也就是函数的具体实现，不重写声明，声明永远是走的基类的声明，所以传入的缺省值就是基类里的1。

理解了这个之后，我们再加一行代码，p->func();的运行结果是什么呢？

这里B*指针不是基类的指针，所以根本就不满足多态的条件，就是一个普通的函数调用，运行的就是B类里的函数声明和定义 ，所以结果就是B->0。

int main(int argc, char* argv[])
{
	B* p = new B;
	p->test();
	p->func();
	return 0;
}

2.5 虚函数重写的⼀些其他问题

• 析构函数的重写（重要）

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看起来不符合重写的规则，实际上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，所以基类的析构函数加了vialtual修饰，派⽣类的析构函数就构成重写。

下⾯的代码我们可以看到，如果~A()，不加virtual，那么delete p2时只调⽤的A的析构函数，没有调⽤B的析构函数，就会导致内存泄漏问题，因为~B()中在释放资源。

class A
{
	public :
	virtual ~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
};
class B : public A {
public:
	~B()
	{
		cout << "~B()->delete:" << _p << endl;
		delete _p;
	}
protected:
	int* _p = new int[10];
};

//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()
{
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new B;
	delete p1;
	delete p2;
	return 0;
}

如果析构不构成多态，A* 指针，就只会调用A的析构，不会调用B的析构，B内开了额外空间，就不会释放，于是就产生了内存泄漏，设计成多态，指针指向谁调用谁的析构，又因为继承的特性调用派生类的析构后，默认调用基类的析构，所以最终AB的析构都会调用，就不会有内存泄漏。

这也是为什么基类中的析构函数建议设计为虚函数。

• 协变 (了解)

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（这个基类不一定是自己，也可以是别的类的基类），派⽣类虚函数返回派⽣类对象的指针或者引⽤时（这个派生类不一定是自己，也可以是别的类的派生类），称为协变。协变的实际意义并不⼤，所以我们了解⼀下即可。

例：

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

2.6 override 和 final关键字

从上⾯可以看出，C++对虚函数重写的要求⽐较严格，但是有些情况下由于疏忽，⽐如函数名写错参数写错等导致⽆法构成重写，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，可以帮助用户检测是否重写。如果我们不想让派⽣类重写这个虚函数，那么可以⽤final去修饰。

class Car {
public:
	virtual void Dirve()
	{
	}
};
class Benz :public Car {
public:
	virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
	return 0;
}

class Car
{
	public :
	virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
	public :
	virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
	return 0;
}

2.7 重载/重写/隐藏的对⽐

概念	核心特点
重载	- 两个函数在同一作用域 - 函数名相同，参数不同（类型 / 个数），返回值可同可不同
重写 / 覆盖	- 两个函数在继承体系的父类、子类不同作用域 - 函数名、参数、返回值必须相同（协变例外） - 两个函数都必须是虚函数
隐藏	- 两个函数在继承体系的父类、子类不同作用域 - 函数名相同 - 不构成重写即属于隐藏 - 父子类成员变量相同也叫隐藏

3. 纯虚函数和抽象类

在虚函数的后⾯写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数，纯虚函数不需要定义实现(实现没啥意义因为要被派⽣类重写，但是语法上可以实现)，只要声明即可。包含纯虚函数的类叫做抽象类，抽象类不能实例化出对象，如果派⽣类继承后不重写纯虚函数，那么派⽣类也是抽象类。纯虚函数某种程度上强制了派⽣类重写虚函数，因为不重写实例化不出对象。

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;
	}
};
int main()
{
	// 编译报错：error C2259: "Car": ⽆法实例化抽象类
	Car car;
	Car* pBenz = new Benz;
	pBenz->Drive();
	Car* pBMW = new BMW;
	pBMW->Drive();
	return 0;
}

4. 多态的原理

4.1 虚函数表指针

下⾯编译为32位程序的运⾏结果是什么（）（写这题前，要知道类的大小计算，内存对齐等知识）

A. 编译报错 B. 运⾏报错 C. 8 D. 12

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

答案：D

上⾯题⽬运⾏结果12bytes，除了_b和_ch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，因为⼀个类所有虚函数的地址要被放到这个类对象的虚函数表中，虚函数表也简称虚表。

4.2 多态的原理

4.2.1 多态是如何实现的

从底层的⻆度Func函数中ptr->BuyTicket()，是如何作为ptr指向Person对象调⽤Person::BuyTicket， ptr指向Student对象调⽤Student::BuyTicket的呢？通过下图我们可以看到，满⾜多态条件后，底层不再是编译时通过调⽤对象确定函数的地址，⽽是运⾏时到指向的对象的虚表中确定对应的虚函数的地址，这样就实现了指针或引⽤指向基类就调⽤基类的虚函数，指向派⽣类就调⽤派⽣类对应的虚函数。第⼀张图，ptr指向的Person对象，调⽤的是Person的虚函数；第⼆张图，ptr指向的Student对象，调⽤的是Student的虚函数。

class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
private:
	string _name;
};
class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
private:
	string _id;
};
class Soldier : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-优先" << endl; }
private:
	string _codename;
};
void Func(Person* ptr)
{
	// 这⾥可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket
	// 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。
	ptr->BuyTicket();
} 
int main()
{
	// 其次多态不仅仅发⽣在派⽣类对象之间，多个派⽣类继承基类，重写虚函数后
	// 多态也会发⽣在多个派⽣类之间。
	Person ps;
	Student st;
	Soldier sr;
	Func(&ps);
	Func(&st);
	Func(&sr);
	return 0;
}

4.2.2 动态绑定与静态绑定

• 对不满⾜多态条件(指针或者引⽤+调⽤虚函数)的函数调⽤是在编译时绑定，也就是编译时确定调⽤函数的地址，叫做静态绑定。

• 满⾜多态条件的函数调⽤是在运⾏时绑定，也就是在运⾏时到指向对象的虚函数表中找到调⽤函数的地址，也就做动态绑定。

4.2.3 虚函数表

• 基类对象的虚函数表中存放基类所有虚函数的地址。同类型的对象共⽤同⼀张虚表，不同类型的对象各⾃有独⽴的虚表，所以基类和派⽣类有各⾃独⽴的虚表。

• 派⽣类由两部分构成，继承下来的基类和⾃⼰的成员，⼀般情况下，继承下来的基类中有虚函数表指针，⾃⼰就不会再⽣成虚函数表指针。但是要注意的这⾥继承下来的基类部分虚函数表指针和基类对象的虚函数表指针不是同⼀个，就像基类对象的成员和派⽣类对象中的基类对象成员也独⽴的。

• 派⽣类中重写的基类的虚函数，派⽣类的虚函数表中对应的虚函数就会被覆盖成派⽣类重写的虚函数地址。

• 派⽣类的虚函数表中包含，(1)基类的虚函数地址（先将基类的虚函数地址拷贝过来，如果派生类有重写，则用重写的虚函数地址完成覆盖）(2)派⽣类重写的虚函数地址完成覆盖（3）派⽣类⾃⼰的虚函数地址三个部分。

• 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0x00000000标记。(这个C++并没有进⾏规定，各个编译器⾃⾏定义的，vs系列编译器会再后⾯放个0x00000000标记，g++系列编译不会放)

• 虚函数存在哪的？虚函数和普通函数⼀样的，编译好后是⼀段指令，都是存在代码段的，只是虚函数的地址⼜存到了虚表中。

• 虚函数表存在哪的？这个问题严格说并没有标准答案C++标准并没有规定，不同的编译器会产生不同的行为，vs下是存在代码段(常量区)

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