c++多态及其实现

c++是一门面向对象的语言，具有继承、封装和多态三大特性，本文我们总结一下c++中多态的特性及其实现方法。多态指的是调用同一接口，表现出不同的特性，分为静态多态和动态多态。静态多态指在编译期就能确定其特性的多态，而动态多态需要在运行时确定其特性。

静态多态

静态多态包括重载和模板两种方式。c++重载是指函数在调用时，即使调用的函数名相同，也可以根据参数列表来确定其调用对象，比如下面的代码中有四个函数，main()函数中的调用，根据参数列表的不同，可以找到对应的函数入口。

//函数1
void foo(){} 
//函数2
void foo(int x){}
//函数3
void foo(int x, float y){};
//函数4
void foo(float x, int y){};


int main(){
    foo();  //调用函数1
    foo(3); //调用函数2
    foo(3, 5.7); //调用函数3
    foo(3.8, 5); //调用函数4
}

需要说明的是，重载仅能识别参数列表不同的情况，这里也包括列表中参数类型的顺序不同，但不包括返回值的不同，比如下面的两个函数，编译器无法确定应该调用哪个函数，会出现如下图的报错。

void foo(float x, int y){};
int foo(float x, int y){return 0;};

c++支持重载是因为c++程序在编译后，这些原本同名的函数被编译成了不同名的函数，而相应的调用也修改为了新的函数名，因此重载在编译期就确定了其特性。
c++的模板元编程也是静态多态的一种，这在stl中有着大量应用，通过传入模板元来实现相同函数的不同处理。

动态多态

c++的动态多态主要通过虚函数和虚表来实现。所有包含需函数的类，在类的头部都有一个虚函数表指针，这个指针指向一个虚函数表，虚函数表中存储的是虚函数指针，通过虚函数指针，程序就可以调用相应的函数，如下图描述了下面代码的内存布局。

#include <iostream>
using namespace std;
 
class Base
{
	virtual void foo(){cout<<"Base::foo"<<endl;}
};
 
typedef void(*Fun)(void);
 
int main()
{	
	Base d;

    cout << "虚函数表指针地址：" << (long long*)(&d) << endl;
    cout << "虚函数指针地址：" << (long long*)*(long long*)(&d) << endl;
 
	Fun pFun = (Fun)*((long long*)*(long long*)(&d)); 
	pFun();

    return 0;
}

上面的代码用于验证图中虚函数的内存布局，下面是代码运行的输出结果。

可以看到通过两次指针的消耗，应用程序成功调用了foo()函数，那么虚函数又是怎样实现多态的呢？

#include <iostream>
using namespace std;
 
class base
{
public:
	virtual void foo(){cout<<"Base::foo"<<endl;}
};
 
class derive:public base{
public:
    void foo(){cout<<"derive::foo"<<endl;}
};

int main()
{	
    base* p = new derive();
    p->foo();
    return 0;
}

上面代码的输出结果是"derive::foo"，这是因为如果虚函数是子类继承自父类的虚函数，那么会对应覆盖虚表中的虚函数指针，如果是子类的虚函数，则在虚表中新增一个虚函数指针。因此在子类中重写foo成员方法会将虚表中父类的foo方法覆盖，这时即使我们通过base类实例调用，虚表中的函数也已经被重写。需要说明的是，虽然虚函数需要在运行时才确定调用的函数，虚表却早在编译阶段就已经生成。
在多继承，菱形继承等复杂情况下，内存模型还会有更复杂的变化，我们将在后续文章中继续讨论。