【C++】18：多态

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）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”（>^w^<)喵“，传狗对象过去，就是”汪汪”。

二、多态的定义和实现

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 实现多态两个重要条件

必须是基类的指针或者引用调用虚函数
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，第一必须是基类的指针或引用，因为只有基类的指针或引用才能既指向基类对象又指向派生类对象；第二派生类必须对基类的虚函数完成重写/覆盖，重写或者覆盖了，基类和派生类之间才能有不同的函数，多态的不同形态效果才能达到。

2.1.2 虚函数

类成员函数前面加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。如下所示：

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

2.1.3 虚函数的重写和覆盖

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（这里指的是参数的类型相同）)，称派生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，不过在考试选择题中，经常会故意埋这个坑，让你判断是否构成多态。

2.2 多态的实现

2.2.1 多态的实现1——父类和子类之间的多态

下面我们来写一段代码来实现多态，首先定义一个Person的基类，然后再定义一个Student的学生类来继承Person，在父类里面写一个BuyTicket的虚函数，然后在Student子类重写BuyTicket函数，当把子类的指针或者引用传给父类的指针或者引用（子类的变量，指针，引用可以传给父类，会发生切片，但是父类的变量不能传给子类，并且父类的指针或者引用可能可以传给父类（这个可能的意思是原本这个父类的指针就是子类的指针给父类的，因此可以再次给子类）），然后使用这个指针或者引用来调用BuyTicket函数就构成了重载。代码如下所示：

#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-半价" << 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 p1;
	Student s1;
	Func(&p1);
	Func(&s1);
	return 0;
}

运行如下所示：

在Func函数，参数都是Person类型的指针，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。既指向谁调用谁。

如果我们将父类里面的virtual这个关键字给删除，如下所示：

#include<iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:
	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* 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 p1;
	Student s1;
	Func(&p1);
	Func(&s1);
	return 0;
}

运行结果：

可以发现无论传入的对象是谁，执行的都是父类的BuyTicket函数，这里不满足多态的条件（因为我们把virtaul给删除了，不满足条件二）。

我们看完这两段代码，可以发现只有满足多态的条件，父类的指针指向谁就调用谁的虚函数，如果不满足多态的条件，调用的都是父类的函数。

2.2.2 多态的实现2——子类之间的多态

代码如下所示：

#include<iostream>
using namespace std;
class Animal
{
public:
	virtual void talk() const 
	{}
};
class Dog : public Animal
{
public:
	virtual void talk() const
	{
		cout << "汪汪" << endl;
	}
};
class Cat : public Animal
{
public:
	virtual void talk() const 
	{
		cout << "喵喵" << endl;
	}
};
int main()
{
	const Animal& animal1 = Dog();
	const Animal& animal2 = Cat();
	animal1.talk();
	animal2.talk();
	return 0;
}

2.3 多态场景下的选择题

题目一：请查看以下代码回答问题：

#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();
	return 0;
}

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

答案是：B

解析：指针p调用test()函数，在子类B里面没有找到test函数，就会去父类里面去找，在父类里面找到了test函数之后，紧接着调用这个函数，在调用这个函数之前，需要弄清楚一件事，this指针是什么类型，是A*类型，然后test里面调用func函数，也就是this->func().这里满足多态的两个条件，于是指针指向谁就调用谁，就会调用子类B里面的func函数。于是很多人都会选择选项D，选项D是错的，在子类里面，我们完成了虚函数的重写，满足多态情况下，子类的func函数实际上是父类的虚函数声明加上子类重写的函数体，拼接而成的。如下所示：

满足多态情况下，就会调用这个上面这个func函数，答案就是B->1.

题目二：请查看以下代码回答问题：

#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->func();
	return 0;
}

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

答案是：D

解析：指针p调用func函数，这里是子类的指针调用子类的函数，已经不满足多态的第一个条件了，因此不构成多态，普通的函数调用就没有弯弯绕绕的东西了。就会直接调用func函数

只有在满足多态的条件下才会拼接，不满足多态的条件下，会直接调用函数。

2.4 虚函数重写的其他问题

2.4.1 协变（了解）

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。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;
}

2.4.2 析构函数的重写（重点）

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，所以基类的析构函数加了vialtual修饰，派生类的析构函数就构成重写。

基类的析构函数不加virtual，代码如下所示：

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
};
class B : public A {
public:
	~B()
	{
		cout << "~B()->delete:" << _p << endl;
		delete _p;
	}
protected:
	int* _p = new int[10];
};
int main()
{
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new B;
	delete p1;
	delete p2;
	return 0;
}

我们在基类的析构函数不加virtual的情况下，在delete p1会正确的调用父类的析构函数，但是在执行delete p2的时候，也会调用父类的析构函数，但是这里我们的p2指针是指向子类的，我们想要调用子类的析构函数来释放堆区的资源，并不想调用父类的析构函数，所以那该怎么办呢？

多态可以帮我们来解决这个问题，父类的指针指向哪一个子类对象，就调用哪一个函数，我们只需要在父类的析构函数之前加上virtual这个关键字，就满足了多态的两个条件，在执行delete p2的时候，满足多态的条件，于是会调用子类的析构函数。如下所示：

#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()
{
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new B;
	delete p1;
	delete p2;
	return 0;
}

注意：这个问题面试中经常考察，大家一定要结合类似上面的样例才能讲清楚，为什么基类中的析构函数建议设计为虚函数。

只有把父类的析构函数设计为虚函数，然后子类重写父类的析构函数，就满足多态的条件，父类指针指向子类的时候才能调用子类的析构函数。

2.5 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，可以帮助用户检测是否重写。如果我们不想让派生类重写这个虚函数，那么可以用final去修饰

如下所示：我们想要实现多态，在重写的时候函数名写错了，就不构成重写，因此不构成多态。

#include<iostream>
using namespace std;
class Car {
public:
	virtual void Dirve()
	{
	}
};
class Benz :public Car {
public:
	virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
	return 0;
}

这种情况编译的时候检查不出来，在运行的时候发现没有达到多态的效果，然后检查函数，才发现是函数名写错了，没有达到重写的条件。

C++11提供了override，可以帮助用户检测是否重写，在函数名后就加上override 如果没有重写，就会报错。如下所示：

#include<iostream>
using namespace std;
class Car {
public:
	virtual void Dirve()
	{
	}
};
class Benz :public Car {
public:
	virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
	return 0;
}

如果我们不想让派生类重写这个虚函数，那么可以用final去修饰,如下所示：

#include<iostream>
using namespace std;
class Car
{
public:
	virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
	virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
	return 0;
}

2.6 重载/重写/隐藏的对比

共同特征：重载，重写，隐藏都要求函数名相同

不同特征：

重载要求在同一作用域，重写和隐藏要求在子类和父类的作用域
重写和隐藏是有重叠的，重写的条件比隐藏的条件更加严苛。函数名相同的情况下，在不构成重写的情况下，就是隐藏。

三、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派生类重写，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，如果派生类继承后不重写纯虚函数，那么派生类也是抽象类。纯虚函数某种程度上强制了派生类重写虚函数，因为不重写实例化不出对象。

如下所示：

#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;
	Car* pBenz = new Benz;
	pBenz->Drive();
	Car* pBMW = new BMW;
	pBMW->Drive();
	return 0;
}

四、多态的原理

4.1 虚函数表指针

请看以下代码，回答问题：

#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;
}

下面编译为32位程序的运行结果是什么
A.编译报错 B.运行报错 C.8 D.12

答案是：D

解析：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。

我们将上面的代码多写几个虚函数，如下所示：

#include<iostream>
using namespace std;
class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func2()
	{
		cout << "Func2()" << endl;
	}
	virtual void Func3()
	{
		cout << "Func3()" << endl;
	}
	void Func4()
	{
		cout << "Func4()" << endl;
	}
protected:
	int _b = 1;
	char _ch = 'x';
};
int main()
{
	Base b;
	cout << sizeof(b) << endl;
	return 0;
}

然后查看对象b的结构，如下所示：

b对象里面的_vfptr是一个指针，它指向了一个函数指针数组，我们来解释一下函数指针数组，首先它是一个数组，里面存放的是指针，什么指针呢？函数指针。这个函数指针数组里面存放了虚函数Func1，Func2，Func3的指针，并没有存放普通函数的指针。

4.2 多态的原理

4.2.1 多态是如何实现的

请看如下代码：

#include<iostream>
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派生类对象之间，多个派生类继承基类，重写虚函数后
	//多态也会发生在多个派生类之间。
	Person ps;
	Student st;
	Soldier sr;
	Func(&ps);
	Func(&st);
	Func(&sr);
	return 0;
}

从底层的角度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基类就调用基类的虚函数，指向派生类就调用派生类对应的虚函数。第一张图，ptr指向的Person对象，调用的是Person的虚函数；第二张图，ptr指向Student对象，调用的是Student的虚函数。

4.2.2 动态绑定和静态绑定

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。
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。

//ptr是指针+BuyTicket是虚函数满足多态条件。
//这里就是动态绑定，编译在运行时到ptr指向对象的虚函数表中确定调用函数地址

ptr->BuyTicket();

00EF2001 mov eax,dword ptr [ptr]

00EF2004 mov edx,dword ptr [eax]

00EF2006 mov esi,esp

00EF2008 mov ecx,dword ptr [ptr]

00EF200B mov eax,dword ptr [edx]

00EF200D call eax

//BuyTicket不是虚函数，不满足多态条件。
//这里就是静态绑定，编译器直接确定调用函数地址

ptr->BuyTicket();

00EA2C91 mov ecx,dword ptr [ptr]

00EA2C94 call Student::Student (0EA153Ch)

4.2.3 虚函数表

基类对象的虚函数表中存放基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，所以基类和派生类有各自独立的虚表。
派生类由两部分构成，继承下来的基类和自己的成员，一般情况下，继承下来的基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基类部分虚函数表指针和基类对象的虚函数表指针不是同一个，就像基类对象的成员和派生类对象中的基类对象成员也独立的。
派生类中重写的基类的虚函数，派生类的虚函数表中对应的虚函数就会被覆盖成派生类重写的虚函数地址。
派生类的虚函数表中包含，（1)基类的虚函数地址，（2)派生类重写的虚函数地址完成覆盖，派生类自己的虚函数地址三个部分。
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0x00000000标记，g++系列编译不会放)
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。
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）