C++:多态

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

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。

多态的定义及实现

那么在继承中要 构成多态还有两个条件 ：

1. 必须通过基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

不同的对象去做同一件事情，多种形态，结果不一样 

多态：指向谁，调用谁的虚函数

1、父子类完成虚函数重写(三同：函数名、参数、返回值)

2、父类的指针或者引用去调用虚函数 

虚函数

虚函数：即被 virtual 修饰的类成员函数称为虚函数

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。

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;
}

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;
 
// p1->destructor + operator delete(p1)
// p2->destructor + operator delete(p2)
// 多态
// 期望：指向父类调用父类析构
// 期望：指向子类调用子类析构
// 结论：建议析构函数定义为虚函数，防止发生内存泄漏

 delete p1;
 delete p2;
 return 0;
}

3.派生类的虚函数virtual可省略

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

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; }

};

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

C++11 override 和 final

从上面可以看出，C++对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重载，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 。也可修饰一个类，无法被继承。

// 一个类不能被继承
//class Car
// C++11的方法: final修饰的类叫最终类，不能继承
class Car final
{
public:

private:
	// C++98的方法：父类的构造函数私有
	// 子类的构造无法生成和实现，导致子类对象无法实例化
	Car()
	{}
};

class Benz :public Car
{
public:

};

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。

重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

抽象类

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:
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;
 }
};
void Test()
{
Car* pBenz = new Benz;
 pBenz->Drive();
 Car* pBMW = new BMW;
 pBMW->Drive();
}

抽象类:不能实例化出对象

间接强制派生类重写虚函数

override 已经重写了，帮助检查语法是否有问题

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。

多态的原理

虚函数表

通过观察测试我们发现 b 对象是 8bytes ， 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，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 ;

};

class Derive : public Base

{

public :

virtual void Func1 ()

{

cout << "Derive::Func1()" << endl ;

}

private :

int _d = 2 ;

};

int main ()

{

Base b ;

Derive d ;

return 0 ;

}

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 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。

6. 注意 虚表存的是虚函数地址，不是虚函数 ，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是它 的地址又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针

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

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 调用的

Person::BuyTicket ，传 Student 调用的是 Student::BuyTicket

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 。

void Func(Person* p)
{
 p->BuyTicket();
}
int main()
{
 Person mike;
 Func(&mike);
 mike.BuyTicket();
    
 return 0;
}
// 以下汇编代码中跟你这个问题不相关的都被去掉了
void Func(Person* p)
{
...
 p->BuyTicket();
// p中存的是mike对象的指针，将p移动到eax中
001940DE  mov         eax,dword ptr [p]
// [eax]就是取eax值指向的内容，这里相当于把mike对象头4个字节(虚表指针)移动到了edx
001940E1  mov         edx,dword ptr [eax]
// [edx]就是取edx值指向的内容，这里相当于把虚表中的头4字节存的虚函数指针移动到了eax
00B823EE  mov         eax,dword ptr [edx]
// call eax中存虚函数的指针。这里可以看出满足多态的调用，不是在编译时确定的，是运行起来
以后到对象的中取找的。
001940EA  call        eax  
00头1940EC  cmp         esi,esp  
}
int main()
{
... 
// 首先BuyTicket虽然是虚函数，但是mike是对象，不满足多态的条件，所以这里是普通函数的调
用转换成地址时，是在编译时已经从符号表确认了函数的地址，直接call 地址
 mike.BuyTicket();
00195182  lea         ecx,[mike]
00195185  call        Person::BuyTicket (01914F6h)  
... 
}

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 。

重写编译时确定虚表，运行时调用虚表

 单继承和多继承关系的虚函数表

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;
};

typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
 cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
 for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
 {
 printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
 VFPTR f = vTable[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
//指针的指针数组，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。
 VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
 PrintVTable(vTableb);
 VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
 PrintVTable(vTabled);
 return 0;
}

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

typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
 cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
 for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
 {
 printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
 VFPTR f = vTable[i];
 f();
 }
 cout << endl;
}
int main()
{
 Derive d;

cout << sizeof(Derive) << endl;//20

 VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
 PrintVTable(vTableb1);

 VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d+sizeof(Base1)));
//	Base2* ptr = &d;
//	VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)(ptr));

 PrintVTable(vTableb2);
 return 0;
}

观察下图可以看出： 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

大小为什么是20字节

菱形继承、菱形虚拟继承

菱形继承 

class A
{
public:

	virtual void func1() { cout << "A::func1" << endl; }

	int _a;
};


class B :  public A
{
public:
	virtual void func2() { cout << "B::func2" << endl; }

	int _b;
};


class C :  public A
{
public:
	virtual void func3() { cout << "C::func3" << endl; }

	int _c;
};

class D : public B, public C
{
public:
	virtual void func4() { cout << "D::func4" << endl; }

	int _d;
};


int main()
{
	D d;
	cout << sizeof(d) << endl;//28

	// 结论菱形继承的对象模型跟多继承类似
	d.B::_a = 1;
	d.C::_a = 2;
	d._b = 3;
	d._c = 4;
	d._d = 5;

	return 0;
}

一共28字节

菱形继承 父类A会创造出两个虚指针分别给B，C继承，所以只有两个虚表都在A中

D d;定义了一个D类

内部先将B中重写虚函数地址覆盖给A虚表，然后再将D重写虚函数地址覆盖给A虚表

同时将C中重写虚函数地址覆盖给另一个A,最后同理将D重写虚函数地址覆盖给另一个A虚表

没有重写的虚函数也要各自放入对应虚表

我们看的时候，要将A和B看成一个整体，A和C也是一个整体，D继承了它们

菱形虚拟继承

class A
{
public:

	virtual void func1() { cout << "A::func1" << endl; }

	int _a;
};


class B : virtual public A
{
public:
	virtual void func2() { cout << "B::func2" << endl; }

	int _b;
};


class C : virtual public A
{
public:
	virtual void func3() { cout << "C::func3" << endl; }

	int _c;
};

class D : public B, public C
{
public:
	virtual void func4() { cout << "D::func4" << endl; }

	int _d;
};

int main()
{
	D d;//36
	cout << sizeof(d) << endl;

	// 结论菱形虚拟继承的对象模型跟多继承类似
	d.B::_a = 1;
	d.C::_a = 2;
	d._b = 3;
	d._c = 4;
	d._d = 5;

	return 0;
}

一共36字节

A中有虚指针，B和C有独立的虚指针和虚基表指针

D d;定义了一个D类

所以内部将D类重写虚函数地址直接覆盖给A虚表，同时也覆盖给B，C虚表

没有重写的虚函数依次放入ABC虚表

为什么会B，C中会有单独的虚指针

因为A类只会生成一个虚指针，不能同时生出两份虚表

 课上代码与板书

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

private:
	int _i = 1;
};

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

	int _j = 2;
};

void Func(Person* p)
{
	p->BuyTicket();
}

int main()
{
	Person Mike;
	Func(&Mike);

	Person p1;
	Func(&p1);

	Student Johnson;
	Func(&Johnson);

	return 0;
}

class Base {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
private:
	int a = 1;
};

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 = 2;
};

// 打印对象虚表
typedef void(*VFPTR)();

// 打印函数指针数组
// virtual function table
//void PrintVFT(VFPTR vft[])
void PrintVFT(VFPTR* vft)
{
	for (size_t i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%p->", vft[i]);

		VFPTR pf = vft[i];
		(*pf)();
		//pf();
	}
}

int main()
{
	Base b;
	Derive d;

	//int ptr = (int)d; // 不支持转换，只有有关联的类型才能互相转
	VFPTR* ptr = (VFPTR*)(*((int*)&d));
	PrintVFT(ptr);

	// 函数指针
	//void (*p1)();
	VFPTR p2;

	// 函数指针数组
	void (*pa1[10])();
	VFPTR pa2[10];


	return 0;
}

多态调用：运行时，到指向对象的虚表中找虚函数调用，指向父类调用父类的虚函数，指向子类调用子类的虚函数

普通调用：编译时，调用对象是哪个类型，就调用他的函数

虚表：虚函数表，存的虚函数，目标实现多态

虚基表：存的当前位置距离虚基类部分的偏移量，解决菱形继承数据冗余和二义性

虚函数和虚表存在的位置讨论

进程-> 指令 

类->实例化对象->指令

函数->指令

虚函数跟普通函数一样，都是存在代码段，不是存在虚表的

虚表中存的仅仅是虚函数的地址

虚表存在哪个内存区域的？栈 堆 常量区 静态区

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; }
};


int main()
{

    int i = 0;
    static int j = 1;
    int* p1 = new int;
    const char* p2 = "xxxxxxxx";
	printf("栈:%p\n", &i);
	printf("静态区:%p\n", &j);
	printf("堆:%p\n", p1);
	printf("常量区:%p\n", p2);

	Person p;
	Student s;
	Person* p3 = &p;
	Student* p4 = &s;

	printf("Person虚表地址:%p\n", *(int*)p3);
	printf("Student虚表地址:%p\n", *(int*)p4);

    return 0;
}

结论：根据地址的样式，我们推断虚函数表在常量区

虚函数表实际就是一级函数指针数组

虚函数是一个二级函数指针，指向一级函数指针数组首元素地址

相关例题

1.以下程序输出结果是什么（）

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 ;

  }

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:B

虚函数的重写，重写的是函数体

2.多继承中指针偏移问题？下面说法正确的是( )

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 ;

}

A ： p1 == p2 == p3 B ： p1 < p2 < p3 C ： p1 == p3 != p2 D ： p1 != p2 != p3

选C

p1和p2的顺序是由Base1和Base2继承顺序决定的

3.下面程序输出结果是什么? （）

#include<iostream>
using namespace std;
class A{
public:
 A(char *s) { cout<<s<<endl; }
 ~A(){}
};
class B:virtual public A
{
public:
 B(char *s1,char*s2):A(s1) { cout<<s2<<endl; }
};
class C:virtual public A
{
public:
 C(char *s1,char*s2):A(s1) { cout<<s2<<endl; }
};
class D:public B,public C
{
public:
 D(char *s1,char *s2,char *s3,char *s4):B(s1,s2),C(s1,s3),A(s1)
 { cout<<s4<<endl;}
};
int main() {
 D *p=new D("class A","class B","class C","class D");
 delete p;
 return 0;
}

A ： class A class B class C class D  B ： class D class B class C class A

C ： class D class C class B class A  D ： class A class C class B class D

答案：A

先初始化A类，后面依次初始化B，C，A类只初始化一次，最后完成D的的初始化

关于继承的初始化顺序，不是按照写的顺序初始化，按照父类的先后和继承的前后进行调用

问答题