C++杂谈之一二三-多态

前言

  经过前几章c++基础语法的铺垫后，我们后面可以研究一些稍微深入的知识了。c++的三大特性-封装、继承、多态。这三大特性在我的理解更多的是表明C++中OOP（面向对象编程）思想的一个总结，其中封装性代表的是一个思想，即：应暴露尽可能少的实现细节给外部。其中涉及到的点有访问限定符、提供读写数据接口而非直接提供数据等，具体的细节本文不再展开。而继承和多态二者是相辅相成的，也就是多态依赖于继承，而继承的一大亮点也是可以实现多态。下面我们就继承和多态来引入c++最核心的知识点~

什么是多态

  多态，从语义上理解就是多种形态，在c++中它代表的就是调用一个函数能够产生多种形态。分为静态多态和动态多态，其中静态多态就是重载，函数名相同，参数个数或者类型不同，这个很容易理解，不多说，我们主要说一下动态多态。

动态多态

  动态多态是基于c++的RTTI机制结合c++中的继承和虚函数所表现出来的一种强大特性，他的释义是：将函数绑定推迟至运行期，根据实际对象的类型来确定调用哪种版本的函数。听起来很抽象是吧，我尝试用我的理解来解释一下：某一天村长（编译器）里要集中盖房子，每家都必须出人，老黄家也必须出人，问到老黄家的时候，回复说：那天不知道谁空，等到了那天再说（运行期），我家谁有空就谁去，然后村长就记着：老黄家不确定派谁干活，等到那天再说（多态）。例子举得不太恰当，意思就是告诉编译器这个函数（虚函数）你先不要编译，等到运行期间的话，再根据调用对象的实际类型来调用我。

如何使用多态

  多态 = 继承+虚函数，继承就不多说了，我们直接上代码

class Base
{
public:
	virtual void function()
	{
		std::cout << "base createproduct" << std::endl;
	}
};
class Deived:public Base
{
public:
	void function()
	{
		std::cout << "deived createproduct" << std::endl;
	}
};
int main()
{
	Base * base = nullptr;
	base = new Base();
	base->function();
	delete base;
	base = new Deived();
	base->function();
	delete base;
}

  结果如下：
  我们来分析一下，我首先定义了一个指针置为nullptr(C++11出的空指针)，然后将指针指向了一个base对象的内存空间，调用function，然后将指针指向了一个deived对象的内存空间，再次调用function函数。其中我的调用方式是一模一样的，区别是不是只在于base这个指针实际指向内存地址的不同。而这就是动态多态。

注意点：
  1.只有虚函数才有多态性，普通函数没有；
  2.只有有继承关系的类才会根据实际对象类型而呈现多态；
  3.虚函数的声明需要加上virtrual标志符，定义不需要加，子类的虚函数重写也可以不加；

多态的重要性

  一定要学习多态吗？我一直搞不懂多态是干嘛的，能不使用多态就可以写代码吗？答案是肯定的，不用多态你是个码农，但是你肯定写不出好的代码，用了多态，你就踏上了进阶之路，有了多态的基础你才能理解很多设计模式（工厂模式、观察者模式等等）和优秀框架设计，所以多态非常重要。

多态的实现机制

  为啥继承+虚函数就可以实现多态了呢？没有为啥，c++就是这样规定的，既然用了人家的语言，就遵守人家的语法。但是我们可以尝试稍微深入看一下c++是如何实现多态的。
  “我知道很多道理，却依旧过不好这一生”这句话也适用于我们的学习之路，我们在很多的博客中见过太多介绍多态实现的文章了，说的都很好，但是学习的最好方法就是实践，对于多态的实现机制我们先介绍其理论，再写代码验证之~
  首先多态的实现是由于编译器在编译期间为函数分配入口地址，但是有一个例外，那就是虚函数，如果编译器检测到这个函数是虚函数的话，那么就不会为这个函数分配地址，会将这个过程推迟到运行期，换句话说，也还是我们上面那句话，这个虚函数的地址会在运行到调用的时候，才会临时分配地址。
  而编译器是如何在运行期间找到对应版本的虚函数地址的呢？bingo，都知道，每个对象的内存在初始化的时候，如果类中有虚函数的话，那么他会维护一个虚函数表指针，这个虚函数表里面存放了虚函数的地址。
  咱们写段代码验证一下这个东西

#pragma once
#include <iostream>

class base
{
public:
	int privateValue;
public:
	void Func()
	{
		std::cout << "非虚函数base :: func 被调用" << std::endl;
	}
	virtual void virFunc()
	{
		std::cout << "虚函数base :: virFunc被调用" << std::endl;
	}
};

然后子类deived重写virFunc函数

#pragma once
#include <iostream>
class deived :public base
{
public:
	mutable int a;
public:
	void virFunc()
	{
		std::cout << "虚函数deived :: virFunc被调用" << std::endl;
	}
};

#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <thread>
#include <memory>
#include <mutex>
#include "deived.h"

using namespace std;

int main()
{
	base* ptr = nullptr;
	ptr = new base();
	delete ptr;
	ptr = new deived();
	delete ptr;
}

  很简单的代码，我们设断点看一下两个对象内存里面到底存放了什么东西

  没错，base构造出来的内存中，我们看到在内存的首位就维护了一个虚表指针，确实指向了一个虚函数地址，而在deived中同样也维护了一个虚表指针，而它指向的确实自己重写过的虚函数的地址。
  那么我们得出以下结论：
  1.如果一个类中存在虚函数，那么它所构造的内存空间中首部就会维护一个虚表指针，指向一个虚函数表，这个虚函数表存放的是虚函数的地址；
  2.如果子类重写了父类的虚函数，那么虚表中存放的地址是子类版本的虚函数地址，而非父类；
  那么问题又来了，那既然子类重写了父类的虚函数，那么虚表中存放的地址是子类版本的虚函数地址，那Base *ptr = new deived()；中ptr是不是无法访问父类版本的虚函数了呢？
  答案是可以访问，但是需要强行加上作用域符ptr->base::virFunc();即可访问，我擦，这是为啥，那是因为编译器如果直接遇到这种用法的话，会直接访问虚函数的地址，而不再通过虚表指针了~

小结

  1.多态，从语义上理解就是多种形态，在c++中它代表的就是调用一个函数能够产生多种形态。分为静态多态和动态多态，其中静态多态就是重载，函数名相同，参数个数或者类型不同，动态多态就是通过父类指针指向父类或者子类对象内存，相同调用代码能够呈现出不同的表现形式。
  2.有了多态的基础才能理解很多设计模式（工厂模式、观察者模式等等）和优秀框架设计，所以多态非常重要。
  3.多态的实现机制就是通过虚表指针来实现的，多态性就是通过父类指针指向不同的对象内存地址（父类或者子类），而不同的对象内存中会维护不同的虚表指针，指向不同的虚表，从而能够呈现出多态性。
  好了，我是Double beans，一个希望通过简单代码能够说明一件事的c++程序员，学海无涯，我们后面再见。