多态及虚函数的基础认知

1. 多态的概念

        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。
        举个栗子：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

2. 多态的定义及实现

2.1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。
        那么在继承中要构成多态还有两个条件：
                1. 必须通过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，且派生类必须对基类的虚函数进行重写

 

    函数前有virtual（虚函数的标志），函数名、参数、返回类型都相同的函数（虚函数+函数名+参数+返回），构成重写或者覆盖。  不同类的人调用虚函数函数（将不同类型的指针传给Buy），执行的是各自类中的那个同名函数。

2.2 虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数

 2.3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。

/*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*/

 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;}
};

 将B前的virtual删除，它们依然构成重写。

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。

 子类析构时会先调用子类的析构函数，然后自动调用父类析构函数。

 如果析构函数没有构造重写

在下面的情况中，子类函数没有被调用，会造成内存泄漏。

 2.4 C++11 override 和 final

        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。

    1. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写，一旦被重写就会报错。

 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。

 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。

        纯虚函数间接让派生类必须重写，另外纯虚函数更体现出了接口继承。

         重写纯虚函数之后，可以实例化出对象。

        但实际上纯虚函数的实现没有价值，因为纯虚函数无法调用，即使调用也是子类的重写，父类的对象都无法实例化，更加无法调用。

        除非是某个函数必须在子类进行重写，那么可以在父类实现纯虚函数。

 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

（多态调用实现，实际上是在运行时，去指向对象的虚表中查找调用函数的地址）

4.1虚函数表

   在基类，b对象除了_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（普通函数地址不会放入虚表），虚函数表也简称虚表。

 对于子类来说，父类b对象和子类d对象虚表是不一样的，这里我们发现Func1完成了重写。

/*父类Func1地址为0x008d15fa,而子类Func1的地址为0x008d162c。*/

总结：

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。

 4.2 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

class Base {
public :
    virtual void func1() { cout<<"Base::func1" <<endl;}
    virtual void func2() {cout<<"Base::func2" <<endl;}
private :
    int a;
};
class Derive :public Base {
public :
    virtual void func1() {cout<<"Derive::func1" <<endl;}
    virtual void func3() {cout<<"Derive::func3" <<endl;}
    virtual void func4() {cout<<"Derive::func4" <<endl;}
private :
    int b;
};

 观察下图中的监视窗口中我们发现看不见func3和func4，这是因为vs2019的监视窗口被优化过，看不到func3和func4。这里需要一个函数来打印地址。