C++多态

1. 多态的实现

• 静态的多态：编译时实现。如template 定义的模板函数传入不同的变量，编译时处理成不同的函数，然后根据传入变量的类型进行调用，这是由函数重载实现的。静态的多态有：函数重载、重定义、运算符重载。

• 动态的多态：运行时实现。假设父类有许多派生类，那么对于父类和派生类中的某个function可以有多种实现方式。在外部调用时，可以设计一个函数，当传递入不同的对象可以调用不同类中的function。这种通过父类的指针或引用保存子类空间的地址，在运行时传递不同的对象时调用不同的函数的方式称为多态。实现动态的多态通过虚函数。虚成员函数有时称为方法。实现动态的多态需具有三个条件：

  • 有对父类继承的子类
  • 子类重写父类的虚函数
  • 通过父类指针（或引用）指向子类空间调用虚函数。

1.1 虚函数

• 在父类中某非静态成员函数前加virtual关键字修饰的成员函数称为虚函数。子类中该函数的virtual可加可不加，因为继承保留了父类虚函数的属性（父类的访问限定符也会被继承，虚函数表是可以公开访问的，即若父类中函数是公有的、子类是私有，但是仍可被外部访问——通过虚表里的函数指针）。被虚函数修饰的函数会产生虚函数指针（在构造函数初始化列表初始化），该指针指向虚函数表，该表中记录的是当前类的虚函数的入口地址。

• 子类完成函数重写（覆盖）需满足三个条件：子类中的虚函数与父类虚函数（函数名、参数、返回值）相同。若任意一个条件不满足就构成隐藏。对于返回值不同的，有一个特殊情况也构成重写——协变（返回值是父子关系的指针或引用）。

class Base
{
public:
	virtual void greeting()
	{
		std::cout << "hello, I am Base!" << std::endl;
	}
};

class DerivedA : public Base
{
public:
	virtual void greeting()  //子类重写父类的虚函数：函数名、参数、返回值相同
	{
		std::cout << "hello, I am DerivedA!" << std::endl;
	}
};
class DerivedB : public Base
{
public:
	virtual void greeting(int a) //不满足构成多态的条件，为隐藏
	{
		std::cout << "hello, I am DerivedB!" << std::endl;
	}
};

void Func(Base& b)   //若不构成多态，最终的调用结果和形参b的类型有关；考虑参数传参（拷贝构造）
{
	b.greeting();
}

//----------- 协变 - 返回值是父子关系的指针或引用-----------
class A {};
class B :public A {};

class BaseTest {
public:
	virtual A* test()
	{
		std::cout << "virtual A* test()" << std::endl;
		return nullptr;
	}
};

class DerivedTest : public BaseTest {
public:
	virtual B* test()   //返回值与父类不同，但是构成重写
	{
		std::cout << "virtual B* test()" << std::endl;
		return nullptr;
	}
};

//----------------------------------------------------------

int main()
{
	Base* pB = new Base;
	Base* pDA = new DerivedA;
	pB->greeting();
	pDA->greeting();

	DerivedB pDB;
	Func(pDB);

	BaseTest* pBT = new DerivedTest;
	pBT->test();
	return 0;
}

运行结果：

hello, I am Base!
hello, I am DerivedA!
hello, I am Base!
virtual B* test()

1.2 纯虚函数

• 虚函数后加 = 0 构成纯虚函数。含有纯虚函数的类称为抽象类，抽象类不能单独实例化对象。抽象类必须继承且被子类重写，否则子类也是抽象类。纯虚函数使用前提：①不会单独调用父类；②父类一定会派生出子类，且子类一定会重写虚函数（此时父类的虚函数是没有意义的）。

class A
{
public: 
	virtual void f() = 0;  //纯虚函数只声明不实现——实现没有价值，虚函数放在虚函数表中，而不是静态存储区
};

class B: public A
{
public:    //派生类继承纯虚函数也不能实例化对象，只有重写纯虚函数才可
    virtual void f() 
    {
        std::cout << "hello world" << std::endl;
    }
};
int main()
{
    A* p = new B;
    p->f();
    return 0;
}

1.3 虚析构

• 对于抽象类的析构需要使用虚析构函数（析构函数前加virtual），否则根据父类指针维护的子类对象在释放时，只会析构父类的空间而不会调用子类的析构。使用虚析构可以通过父类指针释放子类的所有空间。（先析构子类，再析构父类）
• 若父类的析构函数是虚函数，则子类的析构构成重写——虽然析构的名字不同，但是编译器会将析构函数类名特殊处理成destructor这个统一的单词。

class Base {
public:
    virtual ~Base()
    {
        std::cout << "~Base()" << std::endl;
    }
};

class DerivedA : public Base {
public:
    virtual ~DerivedA()  // 重写父类的析构函数
    {
        std::cout << "~DerivedA()" << std::endl;
    }
};

int main()
{
    //DerivedA s;  //无论是否是虚函数，都能正确调用其析构函数

    Base* p1 = new DerivedA;  // operator new + 构造
    delete p1; // 构造 + operator delete  若不写虚析构，无法调用子类析构函数。
    return 0;
}

# 结果
~DerivedA()
~Base()

1.4 纯虚析构

• 纯虚析构：必须在类外实现。

#include <iostream>
#include <string>

class A
{
public:
	virtual ~A() = 0;
};
A::~A()  //必须在类外实现
{
	std::cout << "virtual ~A() = 0" << std::endl;
}

class B :public A
{
	~B()
	{
		std::cout << "~B()" << std::endl;
	}
};
int main()
{
	A* p = new B;
	delete p;
	return 0;
}

2. 多态实现的原理

首先看一段代码：

#include <iostream>
#include <string>

class Base
{
public:
	virtual void greeting()
	{
		std::cout << "hello, I am Base!" << std::endl;
	}

	virtual void hello()
	{
		std::cout << "hello world!" << std::endl;
	}
};


class DerivedA : public Base
{
public:
	virtual void greeting()  //子类重写父类的虚函数
	{
		std::cout << "hello, I am DerivedA!" << std::endl;
	}
};


int main()
{
	Base b;
	std::cout << sizeof(b) << std::endl;

    Base *pb = new	Base;
	Base* pDa1 = new DerivedA;
	Base* pDa2 = new DerivedA;
	return 0;
}

输出结果：

4 # 包含了一个虚函数表指针

可以看到：

• 父类和子类的虚函数表指针指向的是不同的虚函数表，虚函数表中指向的是各自类中的虚函数；若重写了，就指向重写的新函数地址。
  

• 这里可以解释为什么需要父类指针（或引用）指向子类空间调用虚函数才可以实现多态：指针和引用可以获取对象的虚表指针，而使用Base b = DerivedA调用拷贝构造，无法拷贝子类虚函数表指针（否则父类对象的虚函数表指针会出现指向子类虚表的情况）。

• 同一个类构造的不同对象共有一份虚函数表，虚函数指针表指向同一个地址。

• 没有重写的虚函数使用的是同一地址。

• 补充：普通函数和虚函数（非纯虚）存储位置一样，都在代码段。虚函数表存放在常量区。

• 对于多继承的子类对象，其中可能含有多份来自父类的虚表指针：

#include <iostream>
#include <string>

class Base1
{
public:
	virtual void Fun1()
	{
		std::cout << "Base1::Fun1()!" << std::endl;
	}

	virtual void Fun2()
	{
		std::cout << "Base1::Fun2()!" << std::endl;
	}
};

class Base2
{
public:
	virtual void Fun1()
	{
		std::cout << "Base2::Fun1()!" << std::endl;
	}

	virtual void Fun2()
	{
		std::cout << "Base2::Fun2()!" << std::endl;
	}

};

class DerivedA : public Base1, public Base2
{
public:
	virtual void Fun1()  //重写继承的函数
	{
		std::cout << "DerivedA::Fun1()!" << std::endl;
	}

private:
	virtual void Fun3()  //私有的函数
	{
		std::cout << "DerivedA::Fun3()!" << std::endl;
	}

	void Fun4()  // 普通函数不存在虚表里
	{
		std::cout << "DerivedA::Fun4()!" << std::endl;
	}
};

typedef void (*vfptr)();  //定义一个虚函数指针类型
void PrintVFTable(vfptr* pf)  //传入虚函数表指针，打印虚表函数
{
	for (int i = 0; pf[i]; i++)  //虚函数表以nullptr结尾
	{
		printf("table[%d] -> %p ", i,pf[i]);
		pf[i]();
	}
}

int main()
{
	DerivedA da;
	PrintVFTable((vfptr*)*((void**)&da));
	std::cout << std::endl;

	PrintVFTable((vfptr*)*((void**)( (char *)&da + sizeof(Base1) ) ) );
	Base2* pda = &da;
	std::cout << std::endl << "切片的结果一样，Base2* pda = &da->:" << std::endl;
	PrintVFTable((vfptr*)*((void**)(pda)));

	return 0;
}

输出结果：

table[0] -> 00401262 DerivedA::Fun1()!
table[1] -> 0040129E Base1::Fun2()!
table[2] -> 0040114A DerivedA::Fun3()!

table[0] -> 004013CA DerivedA::Fun1()!
table[1] -> 00401087 Base2::Fun2()!

切片的结果一样，Base2* pda = &da->:
table[0] -> 004013CA DerivedA::Fun1()!
table[1] -> 00401087 Base2::Fun2()!