目录
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。再⽐如，同样是动物叫的⼀个⾏为(函数)，传猫对象过去，就是”(>^ω^<)喵“，传狗对象过去，就是"汪汪"。
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。
2.1.1 实现多态还有两个必须重要条件
1.必须是
父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，并且完成了虚函数重写（覆盖）
。
说明：要实现多态效果，第⼀必须是父类的指针或引⽤，因为
只有父类的指针或引⽤才能既指向父类对象⼜指向子类对象
；第⼆
子类必须对父类的虚函数完成重写（覆盖）
，重写或者覆盖了，父类和子
类之间才能有不同的函数，完成不同的功能，多态的不同形态效果才能达到。
2.1.2 虚函数
类内
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; }
};2.1.3 虚函数的重写（覆盖）
虚函数的重写/覆盖：
子类中有⼀个跟父类完全相同的虚函数
(即子类虚函数与父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父类的虚函数。
重写主要是完成了对函数体的重写，函数头部都是和父类保持一致
。
注意：
在重写父类虚函数时，子类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写
(因为继承后父类的虚函数被继承下来了在子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，不过在考试选择题中，经常会故意买这个坑，让你判断是否构成多态。
#include <iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
};
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;
}
#include <iostream>
using namespace std;
class Animal
{
public:
virtual void talk() const
{}
};
class Dog : public Animal
{
public:
virtual void talk() const
{
std::cout << "汪汪" << std::endl;
}
};
class Cat : public Animal
{
public:
virtual void talk() const
{
std::cout << "(>^ω^<)喵" << std::endl;
}
};
void letsHear(const Animal& animal)
{
animal.talk();
}
int main()
{
Cat cat;
Dog dog;
letsHear(cat);
letsHear(dog);
return 0;
}
//(> ^ ω^ < )喵
// 汪汪2.1.4 多态场景的⼀个选择题
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
#include <iostream>
using namespace std;
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();
p->func();
return 0;
}
2.1.5 虚函数重写的⼀些其他问题
2.1.5.1 协变(了解)
子类重写父类虚函数时，与父类虚函数返回值类型不同
。即父类虚函数返回父类对象的指针或者引⽤，子类虚函数返回子类对象的指针或者引⽤时，称为协变。协变的实际意义并不⼤，所以我们了解⼀下即可。
#include <iostream>
using namespace std;
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;
}
};
void Func(Person* ptr)
{
ptr->BuyTicket();
}
int main()
{
Person ps;
Student st;
Func(&ps);
Func(&st);
return 0;
}
//运行结果：
//买票 - 全价
//买票 - 打折
2.1.5.2 析构函数的重写
前提：
父类的析构函数为虚函数
，此时子类析构函数只要定义，⽆论是否加virtual关键字，都与父类的析构函数构成重写，虽然父类与子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
，所以父类的析构函数加了vialtual修饰，子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。
所以父类中的析构函数建议设计为虚函数
。
#include <iostream>
using namespace std;
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];
};
// 只有子类B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;
}
2.1.5.3 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
，
可以帮助⽤⼾检测是否重写
。如果我们
不想让子类重写这个虚函数，那么可以⽤final去修饰
。
#include <iostream>
using namespace std;
// error C3668: “Benz::Drive”: 包含重写说明符“override”的⽅法没有重写任何基类⽅法
//函数名错误
class Car {
public:
virtual void Dirve()
{}
};
class Benz :public Car {
public:
virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
return 0;
}
// error C3248: “Car::Drive”: 声明为“final”的函数⽆法被“Benz::Drive”重写
class Car
{
public:
virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
return 0;
}2.1.6 重载/重写/隐藏的对比
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子类重写，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
，如果子类继承后不重写纯虚函数，那么子类也是抽象类。
纯虚函数某种程度上强制了子类重写虚函数，因为不重写实例化不出对象
。
#include <iostream>
using namespace std;
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;
BMW b;
Benz z;
Car* pBenz = new Benz;
pBenz->Drive();
Car* pBMW = new BMW;
pBMW->Drive();
return 0;
}
4. 多态原理
4.1 虚函数表指针
下⾯编译为32位（x86）程序的运⾏结果是什么？（）
A. 编译报错 B. 运⾏报错 C. 8 D. 12
#include <iostream>
using namespace std;
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;
}
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。（函数指针数组）
4.2 多态的原理
4.2.1 多态是如何实现的
我们观察下面一段代码：
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
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子类对象之间，多个子类继承父类，重写虚函数后
// 多态也会发⽣在多个子类之间。
Person ps;
Student st;
Soldier sr;
Func(&ps);
Func(&st);
Func(&sr);
return 0;
}
从底层的⻆度
Func函数中ptr->BuyTicket()
，是如何作为ptr指向Person对象调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父类就调⽤父类的虚函数，指向子类就调⽤子类对应的虚函数。
4.2.2 动态绑定与静态绑定
1.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。
2.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
1.父类对象的虚函数表中存放父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
，所以父类和子类有各⾃独⽴的虚表。
2.子类由两部分构成，继承下来的父类和⾃⼰的成员，⼀般情况下，继承下来的父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父类部分虚函数表指针和父类对象的虚函数表指针不是同⼀个，就像父类对象的成员和子类对象中的父类对象成员也独⽴一样
的。
3.子类中重写的父类的虚函数，子类的虚函数表中对应的虚函数就会被覆盖成子类重写的虚函数地址。
4.子类的虚函数表中包含，(1)父类的虚函数地址，(2)子类重写的虚函数地址完成覆盖，(3)子类⾃⼰的虚函数地址三个部分。
5.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0x000000标记，g++系列编译不会放)。
6.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。
7。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，我们写下⾯的代码可以对⽐验证⼀下。vs下是存在代码段(常量区)。
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Base {
public:
virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
void func5() { cout << "Base::func5" << endl; }
protected:
int a = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
// 重写基类的func1
virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
protected:
int b = 2;
};
//这⾥Derive中没有看到func3函数，这个vs监视窗⼝看不到，可以通过内存窗⼝查看
int main()
{
Base b1;
Base b2;
Derive d;
return 0;
}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);
Base b;
Derive d;
Base* p3 = &b;
Derive* p4 = &d;
printf("Person虚表地址:%p\n", *(int*)p3);
printf("Student虚表地址:%p\n", *(int*)p4);
printf("虚函数地址:%p\n", &Base::func1);
printf("普通函数地址:%p\n", &Base::func5);
return 0;
}
//运行结果：
//栈 : 00F9FCA4
//静态区 : 00E8D000
//堆 : 01021B80
//常量区 : 00E8ABA4
//Person虚表地址 : 00E8AB34
//Student虚表地址 : 00E8AB74
//虚函数地址 : 00E81488
//普通函数地址 : 00E814C4
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