十、C++多态 - 技术栈

注：这个是博主复习使用的专题，仅适用于自己以及学习过C++知识点的同学

文章目录

前言

一、多态的概念

二、多态的定义和实现

[2.1. 多态构成的条件](#2.1. 多态构成的条件)

[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. 虚函数重写的两个例外](#2.4. 虚函数重写的两个例外)

[2.5. override 和 final](#2.5. override 和 final)

[2.6. 重载/重写(覆盖)/隐藏(重定义)的比较](#2.6. 重载/重写(覆盖)/隐藏(重定义)的比较)

三、纯虚函数和抽象类

[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)

四、多态的原理

[4.1. 虚函数表](#4.1. 虚函数表)

[4.2. 多态的原理](#4.2. 多态的原理)

[4.3. 动态绑定和静态绑定](#4.3. 动态绑定和静态绑定)

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)

前言

注：这个是博主复习使用的专题，仅适用于自己以及学习过C++知识点的同学。

思维导图：

一、多态的概念和分类

多态，通俗来讲是多种形态。分为编译时多态(静态多态) 和运行时多态(动态多态)。

编译时多态： 传不同类型的参数就可以调用不同的函数，通过参数不同达到的多种形态，因为他们实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的，例如函数重载和函数模版。

**运行时多态：**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。例如，在现实生活当中，普通人买票是全价，学生买票是半价，而军人允许优先买票。不同身份的人去买票，所产生的行为是不同的，这就是所谓的多态

二、多态的定义和实现

2.1. 多态构成的条件

多态是指不同继承关系的类对象，去调用同一函数，产生不同的行为。在继承中要想实现多太需要满足两个条件：

必须通过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，且派生类必须对基类的虚函数进行重写

2.2. 虚函数

被virtual修饰的类成员函数被称为虚函数。

cpp 复制代码

#include<iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:
	//被virtual修饰的类成员函数
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
};

注意：

只有类的非静态成员函数前可以加 virtual，普通函数前不能加 virtual。
虚函数这里的 virtual 和虚继承中的 virtual 是同一个关键字，但是它们之间没有任何关系。虚函数的是为了实现多态，而虚继承的 virtual 是为了解决菱形继承的数据冗余和二义性。

2.3. 虚函数的重写/覆盖

虚函数的重写也叫做虚函数的覆盖，若派生类中有一个和基类完全相同的虚函数(返回值类型相同、函数名相同以及参数列表完全相同)，此时称该派生类的虚函数重写了基类的虚函数。

例如，我们以下Student和Soldier两个子类重写了父类Person的虚函数。

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

此时，我们就可以通过 父类Person的指针 或者引用调用BuyTicket，此时不同类型的对象，调用的就是不同的函数，产生的也是不同的结果，进而实现了函数调用的多种形态。

cpp 复制代码

void Func(Person* ptr)
{
	//通过父类的指针调用虚函数
	ptr->BuyTicket();
}
void Func(Person& pf)
{
	//通过父类的引用调用虚函数
	pf.BuyTicket();
}
int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Soldier s2;
	Func(&p);
	Func(&s);
	Func(&s2);
	Func(p);
	Func(s);
	Func(s2);
	return 0;
}

注意：在重写基类虚函数时候，派生类的虚函数不加 virtual 关键字也可以构成重写，主要原因是因为继承后基类的虚函数被继承下来了，在派生类中依旧保持虚函数属性。但是这种写法不是很规范，因此建议在派生类的虚函数前也加上 virtual 关键字。

2.4. 虚函数重写的两个例外

1. 协变（基类与派生类虚函数的返回值类型不同）

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的对象或者引用时，称为协变。

例如，下列代码中基类Person当中的虚函数fun的返回值类型是基类A对象的指针 ，派生类Student当中的虚函数fun的返回值类型是派生类B对象的指针，此时也认为派生类Student的虚函数重写了基类Person的虚函数。

cpp 复制代码

//基类
class A
{};
//子类
class B : public A
{};
//基类
class Person
{
public:
	//返回基类A的指针
	virtual A* fun()
	{
		cout << "A* Person::f()" << endl;
		return new A;
	}
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
	//返回子类B的指针
	virtual B* fun()
	{
		cout << "B* Student::f()" << endl;
		return new B;
	}
};

此时，我们通过父类Person的指针调用虚函数fun，父类指针若指向的是父类对象，则调用父类的虚函数，父类指针若指向的是子类对象，则调用子类的虚函数。

cpp 复制代码

int main()
{
	Person p;
	Student st;
	//父类指针指向父类对象
	Person* ptr1 = &p;
	//父类指针指向子类对象
	Person* ptr2 = &st;
	//父类指针ptr1指向的p是父类对象，调用父类的虚函数
	ptr1->fun(); //A* Person::f()
	//父类指针ptr2指向的st是子类对象，调用子类的虚函数
	ptr2->fun(); //B* Student::f()
	return 0;
}

2. 析构函数的重载（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，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。

例如，下面代码中父类Person和子类Student的析构函数构成重写。

cpp 复制代码

class Person
{
public:
	virtual ~Person()
	{
		cout << "virtual ~Person()" << endl;
	}
};
class Student:public Person
{
public:
	virtual ~Student()
	{
		cout << "virtual ~Student()" << endl;
	}
};

那父类和子类的析构函数构成重写的意义何在呢？试想以下场景：分别new一个父类对象和子类对象，并均用父类指针指向它们，然后分别用delete调用析构函数并释放对象空间。

Student 中包含 Person 公有的部分和 Student 独有的，如果 Person(父类) 和 Student (子类) 的析构函数没有重写，那么在调用 Student 的析构函数的时候，只会释放 Student 独有的，Person 部分没有释放，从而造成了内存泄露。因此建议父类的析构函数定义为虚函数。

知识扩展：

在继承当中，子类的析构函数和父类的析构函数构成隐藏的原因就是：表面上看子类的析构函数和父类的析构函数的函数名不同，但是为了构成重写，编译后析构函数的名字会被统一处理成 destructor(); 。

2.5. override 和 final

从上面可以看出，C++对函数重写的要求比较严格，有些情况下由于疏忽可能会导致函数名的字母次序写反而无法构成重写，而这种错误在编译期间是不会报错的，直到在程序运行时没有得到预期结果再来进行调试会得不偿失，因此，C++11提供了final和override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。

例如，父类Person的虚函数BuyTicket被final修饰后就不能再被重写了，子类若是重写了父类的BuyTicket函数则编译报错。

cpp 复制代码

class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket() final
	{
		cout << "买票 -- 全价" << endl;
	}
};
class Student:public Person
{
public:
	// 无法重写"final"函数 "Person::BuyTicket" (已声明 所在行数:136)	
	virtual void BuyTicket() // error
	
	{
		cout << "买票 -- 半价" << endl;
	}
};

2. override：检查派生类虚函数是否重写了基类的某个虚函数，如果没有重写则编译报错。

例如，子类Student和Soldier的虚函数BuyTicket被override修饰，编译时就会检查子类的这两个BuyTicket函数是否重写了父类的虚函数，如果没有则会编译报错。

2.6. 重载/重写(覆盖)/隐藏(重定义)的比较

三、纯虚函数和抽象类

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。

cpp 复制代码

// 抽象类 
class Car
{
public:
	// 纯虚函数
	virtual void Drive() = 0;
};
int main()
{
	//Car c; // 抽象类不能实例化出对象 error
	return 0;
}

派生类继承抽象类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。

cpp 复制代码

//抽象类（接口类）
class Car
{
public:
	//纯虚函数
	virtual void Drive() = 0;
};
//派生类
class Benz : public Car
{
public:
	//重写纯虚函数
	virtual void Drive()
	{
		cout << "Benz-舒适" << endl;
	}
};
//派生类
class BMV : public Car
{
public:
	//重写纯虚函数
	virtual void Drive()
	{
		cout << "BMV-操控" << endl;
	}
};
int main()
{
	//派生类重写了纯虚函数，可以实例化出对象
	Benz b1;
	BMV b2;
	//不同对象用基类指针调用Drive函数，完成不同的行为
	Car* p1 = &b1;
	Car* p2 = &b2;
	p1->Drive();  //Benz-舒适
	p2->Drive();  //BMV-操控
	return 0;
}

抽象类既然不能实例化出对象，那抽象类存在的意义是什么？

抽象类可以更好地去表示现实世界中，没有实例对象对应的抽象类型，比如：植物、动物等。
抽象类很好地体现了虚函数的继承是一种接口继承，强制子类去重写纯虚函数，因为子类若是不重写从父类继承下来的纯虚函数，那么子类也是抽象类也不能实例化出对象。

3.2. 接口继承和实现继承

接口继承 ：派生类只继承基类成员函数的声明（签名） ，而不继承其实现。基类仅规定了一组必须由派生类提供的操作接口，派生类负责提供具体的实现。

实现继承 ：派生类继承基类的实现代码 （包括数据成员和非纯虚函数的实现），可以直接使用或通过覆盖来调整行为。基类提供了完整的或部分的默认实现，派生类复用这些实现。

四、多态的原理

4.1. 虚函数表

下面是一道常考的笔试题：Base类实例化出对象的大小是多少？

cpp 复制代码

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
};

int main()
{
	Base b;
	cout << sizeof(b) << endl;  
	return 0;
}

在 x86 下是 8字节，在 x64 下是 16字节。

我们观察其系统：

对象中的这个指针叫做虚函数表指针，简称虚表指针，虚表指针指向一个虚函数表，简称虚表，每一个含有虚函数的类中都至少有一个虚表指针。

探讨一下虚函数表

1. 虚函数表中到底放的是什么？

下面Base类当中有三个成员函数，其中Func1和Func2是虚函数，Func3是普通成员函数，子类Derive当中仅对父类的Func1函数进行了重写。

cpp 复制代码

//父类
class Base
{
public:
	//虚函数
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Base::Func1()" << endl;
	}
	//虚函数
	virtual void Func2()
	{
		cout << "Base::Func2()" << endl;
	}
	//普通成员函数
	void Func3()
	{
		cout << "Base::Func3()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
};
//子类
class Derive : public Base
{
public:
	//重写虚函数Func1
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Derive::Func1()" << endl;
	}
private:
	int _d = 2;
};
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}

实际上虚表当中存储的就是虚函数的地址，因为父类当中的Func1和Func2都是虚函数，所以父类对象b的虚表当中存储的就是虚函数Func1和Func2的地址。

而子类虽然继承了父类的虚函数Func1和Func2，但是子类对父类的虚函数Func1进行了重写，因此，子类对象d的虚表当中存储的是父类的虚函数Func2的地址 和重写的Func1的地址 。这就是为什么虚函数的重写也叫做覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数地址的覆盖，重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。

其次需要注意的是：Func2是虚函数，所以继承下来后放进了子类的虚表，而Func3是普通成员函数，继承下来后不会放进子类的虚表。此外，虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况下会在这个数组最后放一个nullptr。

2. 派生类的虚表生成步骤：

先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类的虚表。
如果派生类重写了基类中的某个虚函数，则用派生类自己的虚函数地址覆盖虚表中基类的虚函数地址。
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。

3. 虚表是什么阶段初始化的？虚函数存在哪里？虚表存在哪里？

虚表实际上是在构造函数初始化列表阶段 进行初始化的，注意虚表当中存的是虚函数的地址而不是虚函数 ，虚函数和普通函数一样，都是存在代码段中的，只是他的地址又存到了虚表当中。另外，对象中存的不是虚表而是指向虚表的指针。

cpp 复制代码

int j = 0;
int main()
{
	Base b;
	Base* p = &b;
	printf("vfptr:%p\n", *((int*)p)); // 00B29B34
	int i = 0;
	printf("栈上地址:%p\n", &i);     // 0079FE00  
	printf("静态区(数据段)地址:%p\n", &j);   // 00B2C438

	int* k = new int;
	printf("堆上地址:%p\n", k);       // 009D4DE0
	const char* cp = "hello world";
	printf("常量区地址:%p\n", cp);   // 00B29BA0
	return 0;
}

代码当中打印了对象b当中的虚表指针，也就是虚表的地址，可以发现虚表地址与常量区的地址非常接近，由此我们可以得出虚表实际上是存在常量区的。

4.2. 多态的原理

例如，下面代码中，为什么当父类Tom指针指向的是父类对象Jerry时，调用的就是父类的BuyTicket，当父类Tom指针指向的是子类对象Jerry时，调用的就是子类的BuyTicket?

cpp 复制代码

class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
	int _p = 1;
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-半价" << endl;
	}
	int _s = 2;
};
int main()
{
	Person Tom;
	Student Jerry;
	Jerry._p = 3; //以便观察是否完成切片
	Person* p1 = &Tom;
	Person* p2 = &Jerry;
	p1->BuyTicket(); //买票-全价
	p2->BuyTicket(); //买票-半价
	return 0;
}

通过调试可以发现，对象Tom中包含一个成员变量_p和一个虚表指针，对象Jerry中包含两个成员变量_p和_s以及一个虚表指针，这两个对象当中的虚表指针分别指向自己的虚表。

围绕此图分析便可得到多态的原理：

父类指针p1指向Mike对象，p1->BuyTicket在Tom的虚表中找到的虚函数就是Person::BuyTicket。
父类指针p2指向Johnson对象，p2->BuyTicket在Jerry的虚表中找到的虚函数就是Student::BuyTicket。

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。

现在想想多态构成的两个条件，一是完成虚函数的重写 ，二是必须使用父类的指针或者引用去调用虚函数 。必须完成虚函数的重写是因为我们需要完成子类虚表当中虚函数地址的覆盖 ，那**为什么必须使用父类的指针或者引用去调用虚函数呢？**为什么使用父类对象去调用虚函数达不到多态的效果呢？

cpp 复制代码

int main()
{
	Person Tom;
	Student Jerry;
	Jerry._p = 3; //以便观察是否完成切片
	Person* p1 = &Tom;
	Person* p2 = &Jerry;
	return 0;
}

因此，我们后序用p1和p2调用虚函数时，p1和p2通过虚表指针找到的虚表是不一样的，最终调用的函数也是不一样的。

cpp 复制代码

int main()
{
	Person Tom;
	Student Jerry;
	Jerry._p = 3; //以便观察是否完成切片
	Person p1 = Tom;
	Person p2 = Jerry;
	p1.BuyTicket(); //买票-全价
	p2.BuyTicket(); //买票 - 全价
	return 0;
}

因此，我们后序用p1和p2调用虚函数时，p1和p2通过虚表指针找到的虚表是一样的，最终调用的函数也是一样的，也就无法构成多态。

总结一下：

构成多态，指向谁就调用谁的虚函数，跟对象有关。
不构成多态，对象类型是什么就调用谁的虚函数，跟类型有关。

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

以下列单继承关系为例，我们来看看基类和派生类的虚表模型。

cpp 复制代码

//基类
class Base
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Base::func1()" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base::func2()" << endl; }
private:
	int _a;
};
//派生类
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;
};

在单继承关系当中，派生类的虚表生成过程如下：

继承基类的虚表内容到派生类的虚表。
对派生类重写了的虚函数地址进行覆盖，比如func1。
虚表当中新增派生类当中新的虚函数地址，比如func3和func4。

看到派生类对象完整的虚表有两个方法。

一、使用内存监视窗口

使用内存监视窗口看到的内容是最真实的，我们调出内存监视窗口，然后输入派生类对象当中的虚表指针，即可看到虚表当中存储的四个虚函数地址。

二、使用代码打印虚表内容

我们可以使用以下代码，打印上述基类和派生类对象的虚表内容，在打印过程中可以顺便用虚函数地址调用对应的虚函数，从而打印出虚函数的函数名，这样可以进一步确定虚表当中存储的是哪一个函数的地址。

32位程序的访问思路如下：

需要注意的是如果是在64位下，指针是8byte，对应程序位置就需要进行更改

思路：取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，前面我们说了虚函数表本质是一个存虚

函数指针的指针数组，由于没有硬性规定虚函数表最后是 nullptr，那么就显式传入需要打印多少个地址

先取b的地址，强转成一个int*的指针
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
再强转成VFPTR*，因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。
虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表
需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最后面没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的 - 生成 - 清理解决方案，再编译就好了。

cpp 复制代码

//基类
class Base
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Base::func1()" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base::func2()" << endl; }
private:
	int _a;
};
//派生类
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(*VFPTR)(); //虚函数指针类型重命名
//打印虚表地址及其内容
void PrintVFT(VFPTR* ptr, int count) {
	printf("虚表地址: %p\n", ptr);
	for (int i = 0; i < count; ++i) {
		printf("第%d个虚函数地址 :0X%p,->", i, ptr[i]);
		VFPTR f = ptr[i];
		f();
	}
	printf("\n");
}
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	VFPTR * vTable1 = (VFPTR*)(*(int*)&b);
	PrintVFT(vTable1,2);

	VFPTR* vTable2 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
	PrintVFT(vTable2,4);

	return 0;
}

运行结果如下：

5.2. 多继承中的虚函数表

以下列多继承关系为例，我们来看看基类和派生类的虚表模型。

cpp 复制代码

//基类1
class Base1
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Base1::func1()" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base1::func2()" << endl; }
private:
	int _b1;
};
//基类2
class Base2
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Base2::func1()" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base2::func2()" << endl; }
private:
	int _b2;
};
//多继承派生类
class Derive : public Base1, public Base2
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1()" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func3()" << endl; }
private:
	int _d1;
};

在多继承关系当中，派生类的虚表生成过程如下：

分别继承各个基类的虚表内容到派生类的各个虚表当中。
对派生类重写了的虚函数地址进行覆盖(派生类中的各个虚表中存有该被重写虚函数地址的都需要进行覆盖)，比如func1。
在派生类第一个继承基类部分的虚表当中新增派生类当中新的虚函数地址，比如func3。

使用代码打印虚表内容

cpp 复制代码

//基类1
class Base1
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Base1::func1()" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base1::func2()" << endl; }
private:
	int _b1;
};
//基类2
class Base2
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Base2::func1()" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base2::func2()" << endl; }
private:
	int _b2;
};
//多继承派生类
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) ();
void PrintVFT(VFPTR* ptr, int count) {
	printf("虚表地址: %p\n", ptr);
	for (int i = 0; i < count; ++i) {
		printf("第%d个虚函数地址 :0X%p,->", i, ptr[i]);
		VFPTR f = ptr[i];
		f();
	}
	printf("\n");
}
int main()
{
	Base1 b1;
	Base2 b2;
	PrintVFT((VFPTR*)(*(int*)&b1),2); //打印基类对象b1的虚表地址及其内容
	PrintVFT((VFPTR*)(*(int*)&b2),2); //打印基类对象b2的虚表地址及其内容
	Derive d;
	PrintVFT((VFPTR*)(*(int*)&d),3); //打印派生类对象d的第一个虚表地址及其内容
	PrintVFT((VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1))),2); //打印派生类对象d的第二个虚表地址及其内容
	return 0;
}

完