C++多态

一、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。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

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硬性条件（语法硬性规定）：
(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

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;
    }
};

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。重写是一种特殊的隐藏。

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; }
}；
void Func(Person& p)//基类的引用调用
{ 
    p.BuyTicket(); 
}
int main()
{
    Person ps;
    Student st;
    Func(ps);
    Func(st);
    return 0;
}

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。

静态成员函数不能设置为虚函数

其实重写是用的父类的接口，所以只要父类声明了虚函数，子类可以不用virtual声明，下面这个例子可以很好的说明：

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;
}

 输出结果：

解释：p是B类型的指针，通过p调用test()，先在B类里面找是否重写了test()虚函数，结果没有，再调用父类的test()，父类的test()里面调用了父类的func()（即this->func()）这里的this指针是A*类型；由多态条件可知，用父类的指针调用虚函数，看调用对象的类型，这里调用对象是B类型，则便调用B类型的func()，但是重写的接口依然是父类的接口，所以val值与子类里面的接口没有关系，只与父类里面的接口有关系。 

3、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。

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。

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

class Student : public Person {
public:
     ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
int main()
{
	Person* p2 = new Student;
	delete p2;
	return 0;
}

class Person {
public:
	 virtual ~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
	 virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
int main()
{
	Person* p2 = new Student;
	delete p2;
	return 0;
}

3、override 和 final

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

class Car
{
public:
    virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
    virtual void Drive() {cout << "Benz-舒适" << endl;}//报错，无法被重写
};

final修饰类表明该类不能被继承

class A final{
A(){}
};

 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 {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};

4、重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

 

三、抽象类

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。

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;
	}
};
void Test()
{
	Car* pBenz = new Benz;
	pBenz->Drive();
	Car* pBMW = new BMW;
	pBMW->Drive();
}

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

虚函数表

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
};
int main()
{
	cout << sizeof(Base);
	return 0;
}

输出结果（64位下） 

通过观察测试我们发现base对象是16bytes，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？

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;
}

 监视：

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，虚表指针也就是存在部分的另一部分是自己的成员。
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。
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。

6.虚函数存在哪的？虚表存在哪的？

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？实际去验证一下会发现vs下是存在代码段的 。

虚函数是动态绑定（运行时绑定），普通函数则是静态绑定（编译时绑定）

原理

还记得这里Func函数传Person调用的Person::BuyTicket，传Student调用的是Student::BuyTicket

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; }
};
void Func(Person& p)
{
    p.BuyTicket();
}
int main()
{
    Person Mike;
    Func(Mike);
    Student Johnson;
    Func(Johnson);
    return 0;
}

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. 反过来思考我们要达到多态，有两个条件，一个是虚函数覆盖，一个是对象的指针或引用调用虚函数。
5. 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取找的。不满足多态的函数调用时编译时确认好的。

// p中存的是mike对象的指针，将p移动到eax中
001940DE mov     eax,dword ptr [p]
// [eax]就是取eax值指向的内容，这里相当于把mike对象头4个字节(虚表指针)移动到了edx
001940E1 mov     edx,dword ptr [eax]
// [edx]就是取edx值指向的内容，这里相当于把虚表中的头4字节存的虚函数指针移动到了eax
00B823EE mov     eax,dword ptr [edx]
// call eax中存虚函数的指针。这里可以看出满足多态的调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象的
中取找的。
001940EA call    eax
00头1940EC cmp    esi,esp
}
int main()
{
...
// 首先BuyTicket虽然是虚函数，但是mike是对象，不满足多态的条件，所以这里是普通函数的调用转换成地址
时，是在编译时已经从符号表确认了函数的地址，直接call 地址
mike.BuyTicket();
00195182 lea
ecx,[mike]
00195185 call
Person::BuyTicket (01914F6h)
...
}

单继承和多继承关系的虚函数表

需要注意的是在单继承和多继承关系中，下面我们去关注的是派生类对象的虚表模型，因为基类的虚表模型已经看过了，没什么需要特别研究的。