C++ 多态的原理

什么是多态？
所谓的多态说简单来讲就是不同的对象去完成相同的工作时，会产生不同的状态。
多态分为两种：一种是编译时的多态（静态多态），另一种是运行时的多态（动态多态）。

编译时的多态

编译时的多态的实现与静态连编有关。
（1）那么什么是静态连编呢？
所谓的连编就是将函数名和函数体的代码联系在一起的过程。而所谓的静态连编就是在编译时进行的连编。程序在编译期间，编译器通过对实参与形参的比较，对于同名的重载函数便根据参数上的差异进行区别，然后进行连编，如此就实现了编译时的多态。
（2）编译时的多态可以用两种方式来实现：

1. 函数重载
2. 泛型编程

运行时的多态

运行时的多态则是通过动态连编实现的，所谓的动态连编就是在运行阶段完成的连编。即当程序调用到某一个函数时，才去寻找和连接到与之对应的程序代码。

（1）构成多态的条件

1. 必须通过基类的指针或者引用去调用函数。
2. 基类中必须包含虚函数，且在派生类中必须完成了虚函数的重写。

问题：什么是虚函数？
在成员函数前面加上关键字virtual就是虚函数。

问题：什么是虚函数的重写？
派生类中存在的虚函数与其基类中的虚函数函数名、参数、返回值都相同（协变例外），那么我们就说派生类中的虚函数重写了基类中的虚函数。而且虚函数重写也叫做虚函数的覆盖。

多态的原理

结合下面这段代码进行分析：

class Person
{
	public:
		......
		virtual void show_name();
		virtual void show_age();
		......
};
class Student：public Person
{
	public:
		......
		virtual void show_age();        //重新定义
		virtual void show_all();             //新增的虚函数
		......
}:

虚函数表（虚表）：
所谓的虚函数表本质上是一个指针数组，这个数组中的每一个元素都是一个指针，而这个指针指向的是就是虚函数的地址。换句话说，虚函数表中存放的就是虚函数的地址。

虚表指针：
编译器如果发现这个类中有虚函数，那么它就会给在个类的对象中添加一个隐藏的成员，而这个隐藏成员本质上其实就是一个二级指针（vfptr），也就是说，它指向的是函数地址数组的指针，我们把这个指针叫做虚表指针。虚表指针指向的就是虚表的首地址。

问题：派生类是如何继承基类的虚函数？
对于每一个类，编译器都会为其创建一个虚函数表。也就是说，基类对象有一个虚表指针，该指针指向了基类中的虚函数表。派生类中同样也有一个虚表指针，该指针指向了派生类的虚函数表。如果派生类中提供了虚函数的新定义，那么就会在派生类中的虚函数表中添加该新虚函数的地址；如果派生类中没有新定义某个虚函数，那么就会直接在虚函数表中保存原始虚函数的地址；如果在派生类中新定义了一个虚函数，那么就会在虚函数表中直接添加该新虚函数的地址。如下图所示：

因为在Student类的虚函数表中没有重新定义show_name函数，所以该函数的地址和基类中的地址一致；而show_age函数在Student类中重新定义，所以地址与原来不一样；在Student类中新增加了一个虚函数show_all，所以就直接在虚函数表的后面增加了该函数的地址。

原理：
调用虚函数时，程序将首先找到存储在对象中的虚表指针，然后根据虚表指针再找到虚函数表的首地址。如果要使用类的声明中的第一个虚函数，那么就使用这个数组中的第一个函数地址，然后到该地址去执行这个函数。如果要使用类的声明中的第二个虚函数，那么就使用这个数组中的第二个函数地址，然后到该地址去执行这个函数。

一、虚函数相比于非虚函数的缺点：

1. 内存会增加
（1）每个对象都会增大，因为会多一个虚表指针
（2）编译器会为每一个类都创建一个虚表
2. 执行效率减低
（1）每一次虚函数调用时，都需要执行一个额外的操作：到虚表中查找地址

二、不能作为虚函数的函数类型：

1. 构造函数
（1）因为派生类不继承基类的构造函数，所以没意义。
（2）虚表指针是在构造函数成员初始化列表阶段才初始化的
2. 友元
因为友元不是类的成员，而虚函数必须是成员函数。
3. 全局函数
4. 静态成员函数，它没有this指针，也不是成员函数
5. 拷贝构造函数，以及赋值运算符重载（可以但是不建议作为虚函数）

三、如果基类中有虚函数，析构函数为什么最好也要声明为虚函数？
假如，有这样一句语句：Base* p=Deriver d;那么如果没有将析构函数声明为虚函数会出现什么情况呢？当我们delete p时，因为此时p是Base类型，所以它只会调用基类的析构函数，也就是说只能销毁派生类d中属于基类成员的那一部分，而在派生类d中新增的成员而无法被销毁，这就造成了一个诡异的“局部销毁”的局面，从而造成了内存泄漏。因此我们将析构函数声明为虚函数，当我们delete p时，首先调用派生类的析构函数，销毁派生类d中新增的成员，然后再调用基类的析构函数，销毁从基类中继承的成员。