C++ 多态

C++ 多态

1. 多态的概念

1.1 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。

举例: 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。

这种思想转换到语言层面就是: 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。

2. 多态的定义及实现

2.1 虚函数

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

2.2 虚函数的重写

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、 函数名称、 参数列表 完全相同)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。

以下代码就构成了虚函数的重写:

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 ps;
	Student st;
	Func(ps);
	Func(st);
	return 0;
}

注意点

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

就如上所说，如下代码可以构成虚函数的重写

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

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:
	virtual ~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
	virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
//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()
{
	Person* p1 = new Person;
	Person* p2 = new Student;
	delete p1;
	delete p2;
	return 0;
}

运行结果发现，符合我们继承所讲的先析构子类，再析构父类

2.3 多态的构成条件

那么在继承中要构成多态还有两个条件：

1. 必须满足虚函数的重写 — 三同(返回值类型、函数名称、参数列表(参数类型))
2. 必须通过父类的指针或者引用调用虚函数

看一个完全正确的代码:

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

以上代码两个条件全部满足构成多态，运行结果符合要求

满足多态看指向对象的类型，调用这个类型的成员函数

比如Func(ps)中对象ps的类型是Person调用Person类的成员函数，打印"买票-全价"，Func(st)中对象st的类型是Student调用Student类的成员函数，打印"买票-半价"

示例

1. 没有通过父类的指针或者引用调用虚函数

不满足多态看调用者的类型，调用这个类型的成员函数

比如上面代码不满足多态，就看Func()函数中调用者的类型是Person，所以都打印"买票-全价"

2. 基类与派生类都不是虚函数

3. 基类不是虚函数，派生类是虚函数

4. 特例: 基类是虚函数，派生类不是虚函数

就如上面讲虚函数的重写注意点时，基类有virtual关键字, 派生类的虚函数在不加virtual关键字时，是满足虚函数重写的，因而可以构成多态

但是这里发生的是 — 接口继承— 使用父类函数的接口，重写继承父类这个函数的实现

5. 构成协变

如下代码，基类与派生类虚函数都返回各自的this指针, 也满足多态的条件

class Person {
public:
	 virtual Person* BuyTicket() 
	 { 
		 cout << "买票-全价" << endl;
		 return this;
	 }
};
class Student : public Person {
public:
	virtual Student* BuyTicket() 
	{
		cout << "买票-半价" << endl;
		return this;
	}
};
void Func(Person*p)
{
	p->BuyTicket();
}
int main()
{
	Func(new Person);
	Func(new Student);
	return 0;
}

题目1

class A
{
public:
	virtual void func(int val = 1) { std::cout << "A->" << val << std::endl; }
    virtual void test() { func(); }     //参数是: A*this this->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;
}

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

正确答案: B

解释:

1.看满足不满足在多态的条件: (1)通过了父类指针A*this去调用； (2)满足了虚函数的重写；所以满足多态的条件

那么这题是选D吗？不是的，这里是一个小坑

这里，基类是虚函数，派生类不是虚函数，虽然构成了函数重写

但是发生的是 — 接口继承— 使用父类函数的接口，重写继承父类这个函数的实现

即在此题中，继承了父类的缺省参数 val = 1，所以这里选B

题目2

class A
{
public:
	virtual void func(int val = 1) { std::cout << "A->" << val << std::endl; }
};
class B : public A
{
public:
	void func(int val = 0) { std::cout << "B->" << val << std::endl; }

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

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

正确答案: D

解释:

指针B*this去调用，不是父类的指针不满足多态，不满足多态；就是普通的函数调用，看调用者的类型，调用这个类型的成员函数

调用者类型是B, 所以调用B的func函数，打印B->0

题目3

struct A {
	void foo() { printf("foo"); }
	virtual void bar() { printf("bar"); }
	A() { bar(); }
};
struct B :A {
	void foo() { printf("b_foo"); }
	void bar() { printf("b_bar"); }
};

int main()
{
	A* p = new B;
	p->foo();
	p->bar();
}

//选项:
//A. barfoob_bar
//B. foobarb_bar
//C. barfoob_foo
//D. foobarb_fpp

正确答案: A

解释:

首先调用A的构造函数, A的构造函数又去调用bar函数, 虽然B重写了bar函数构成多态, 但是对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始化的，所以这时只会调用A的bar函数打印bar；p->foo()不构成多态，打印父类的foo；p->bar()构成多态打印子类的b_bar

小总结

满足多态看指向对象的类型，调用这个类型的成员函数

不满足多态看调用者的类型，调用这个类型的成员函数

2.4 C++11 override 和 final

1. 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; }
};

2. 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(){}
};
// 检查是否完成重写，不是就报错
class Benz :public Car {
public:
	virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};

2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

3. 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。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:
	// 纯虚函数  -- 抽象类 -- 不能实例化出对象
	virtual void Drive() = 0;
};
int main()
{
	 Car car;

	return 0;
}

抽象类的意义：

一个类型在现实中没有对应的实体，我们就可以一个类定义为抽象类

继承抽象类的类想实例化出对象就必须完成重写

那么纯虚函数另一层意义就是强制子类进行重写

class Car
{
public:
	// 纯虚函数  -- 抽象类 -- 不能实例化出对象
	virtual void Drive() = 0;
};
// 一个类型在现实中没有对应的实体，我们就可以一个类定义为抽象类
class BMW :public Car
{
public:
	virtual void Drive()   //子类的重写
	{
		cout << "BMW-操控" << endl;
	}
};
int main()
{
	BMW bmwCar;

	return 0;
}

3.2 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。

4. 多态的原理

4.1 虚函数表

这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}

private:
	int _b = 1;
	char _ch;
};

int main()
{
	cout << sizeof(Base) << endl;

	return 0;
}

我们肯定先用内存对齐去算以为这里的结果是8，其实不是的，正确结果是 12

那么这究竟是为什么呢？ 我们打开监视窗口去观察

通过观察测试我们发现b对象是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，因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表。

// 针对上面的代码我们做出以下改造
// 1.我们增加一个派生类Derive去继承Base
// 2.Derive中重写Func1
// 3.Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3

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;
	char _ch;
};
class Derive : public Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Derive::Func1()" << endl;
	}
private:
	int _d = 2;
};
int main()
{
	Base bb;
	Derive d;
	return 0;
}

通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：

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。(VS系列编译器, g++没有)
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. 这里还有一个很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？
   答：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？实际我们去验证一下会发现vs下是存在代码段的，虚表是在编译期间生成的
7. 多态调用本质就是去虚表中找虚函数地址

4.2 多态的原理

上面分析了这个半天了那么多态的原理到底是什么？还记得这里Func函数传Person调用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。反思一下为什么？
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。

4.3 动态绑定与静态绑定

1. 静态绑定又称为前期绑定(早绑定)，在程序编译期间确定了程序的行为，也称为静态多态，比如：函数重载
2. 动态绑定又称后期绑定(晚绑定)，是在程序运行期间，根据具体拿到的类型确定程序的具体行为，调用具体的函数，也称为动态多态。

5. 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

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前面我们已经看过了，没什么需要特别研究的

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; 
	}
	virtual void Func4() 
	{
		cout << "Derive::Func4()" << endl;
	}
	
private:
	int _d=2;
};
int main()
{
	Base b;
	Derive d;

	return 0;
}

打开监视窗口来观察:

在派生类中看到，Func1被重写，Func2没被重写。那Func3也是虚函数，然而在这里没发现Func3，那就打开内存窗口看一看。

发现在派生类中Func1和Func2的地址后还跟了一个地址，它是谁的地址呢? 我们大胆猜测它是Func4的地址，那么我们就需要去验证一下，我们可以去打印Func2函数的虚表去验证

typedef void(*VF_PTR)();        //函数指针

//void PrintVFTable(VF_PTR table[])
void PrintVFTable(VF_PTR* table)
{
	for (int i = 0; table[i]; ++i)
	{
		printf("[%d]:%p->", i, table[i]);
		VF_PTR f = table[i];
		f();
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	Base b;
	Derive d;

    // 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针的指针数组，        这个数组最后面放了一个nullptr
    // 1.先取b的地址，强转成一个int*的指针
    // 2.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
    // 3.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。
    // 4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表
    // 5.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。
   
	//32位:
	//PrintVFTable((VF_PTR*)(*(int*)(&b)));
	//PrintVFTable((VF_PTR*)(*(int*)(&d)));

	//64位:
	//PrintVFTable((VF_PTR*)(*(long long*)(&b)));
	//PrintVFTable((VF_PTR*)(*(long long*)(&d)));

	//通用:
	PrintVFTable((*(VF_PTR**)(&b)));
	PrintVFTable((*(VF_PTR**)(&d)));

	return 0;
}

打印这张虚表:

发现Func1和Func2后面的地址就是Func4的地址

可以看出单继承中，派生类自己的虚函数放在虚函数表中基类虚函数的后面。

5.2 多继承中的虚函数表

用同样的方式打印多继承中的虚函数表

class Base1 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; }
private:
	int b1;
};

class Base2 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; }
private:
	int b2;
	int bb;
};

class Derive : public Base2, public Base1 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
private:
	int d1;
};


int main()
{
	Derive d;
	PrintVFTable((VF_PTR*)(*(int*)&d));
	
	//PrintVFTable((VF_PTR*)(*(int*)((char*)&d+sizeof(Base1))));  跳过第一张表打印第二张
	
    //切片方式打印第二张虚表
	Base2* ptr2 = &d;
	PrintVFTable((VF_PTR*)(*(int*)(ptr2)));

	return 0;
}

观察上图可以看出：

多继承派生类的未重写的虚函数放在第一个继承基类部分的虚函数表中

了解内容

那么既然在上面的例子 func1函数都满足多态，为什么多继承以后，虚表中重写的func1地址不同呢？

以下面的代码去看汇编代码

int main()
{
	Derive d;
	Base1* ptr1 = &d;
	Base2* ptr2 = &d;
	ptr1->func1();
 
	ptr2->func1();
	return 0;
}

5.3 多继承中指针偏移问题(补充题目)

class Base1
{
public:
	int _b1;
};
class Base2
{
public:
	int _b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 
{ 
public: 
	int _d; 
};
int main() {
	Derive d;
	Base1* p1 = &d;
	Base2* p2 = &d;
	Derive* p3 = &d;
	return 0;
}
//问：p1, p2, p3的关系？
//A：p1 == p2 == p3      B：p1 < p2 < p3      C：p1 == p3 != p2      D：p1 != p2 != p3

初始化列表初始化的顺序与声明顺序有关，这里是谁先被继承就是谁先被声明 , 谁先被声明谁就在前面

答案是: p1 == p3 != p2 , 虽然p3 == p1 , 但意义却不一样，前者是局部，后者指向的是整体。

菱形继承和菱形虚拟继承太复杂, 这里就不讲了

6. 常见问答题

1. 什么是多态？

多态分为静态多态和动态多态，静态多态是在编译时绑定，也就是函数重载。动态多态通过虚函数的重写之后，指针/引用指向或者引用父类，则调用父类，指向或者引用子类，则调用子类，本质是虚表动态绑定。

2. 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？答：参考本节课件内容

参考2.5

3. 多态的实现原理？

参考4.2

4. inline函数可以是虚函数吗？

可以，不过编译器就忽略inline属性，这个函数就不再是inline，因为虚函数要放到虚表中去。

如果按照理论不忽略inline的功能，我们知道inline是使函数在类中展开，即将代码保存在类中，但我们知道这样就与虚函数的功能相违背，因为虚函数是放在虚表中的，二者功能矛盾，就实例来说，在一个继承的虚函数也就是多态，调用这个函数是在虚表中找，那inline如果有用的话，该去那里找呢？所以说编译器会自动忽略inline属性。

但同类的对象调用同类的inline就可以保留inline的属性，因为不是多态。因此总结一下：多态调用就没有inline属性，普通调用就可以保持inline属性。

5. 静态成员可以是虚函数吗？

不能，因为静态成员函数没有this指针，使用类型::成员函数的调用方式无法访问虚函数表，所以静态成员函数的地址无法放进虚函数表。

6. 构造函数可以是虚函数吗？

不能，因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始化的。

7. 析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？

可以，并且最好把基类的析构函数定义成虚函数。参考2.2

8. 对象访问普通函数快还是虚函数更快？答：

首先如果是普通对象，是一样快的。如果是指针对象或者是引用对象，则调用的普通函数快，因为构成多态，运行时调用虚函数需要到虚函数表中去查找。

9. 虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？答：

虚函数表是在编译阶段就生成的，一般情况下存在代码段(常量区)的。

10. 注意不要将虚函数表和虚基表搞混

虚函数表是存放虚函数的地址，为了实现多态。

虚基表存的是偏移量，解决菱形虚拟继承中数据冗余和二义性。

11. 什么是抽象类？抽象类的作用？

参考（3.抽象类）。抽象类强制重写了虚函数，另外抽象类体现出了接口继承关系。