C++——多态

目录

多态的概念

多态的定义和实现

多态的构成条件

虚函数

虚函数的重写

虚函数重写的两个例外

C++11 override和final

重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

抽象类

概念

接口继承和实现继承

多态的原理

虚函数表

多态的原理

动态绑定和静态绑定

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多态的概念

多态就是函数调用的多种形态，使用多态能够使得不同的对象去完成同一件事时，产生不同的动作和结果。

举个例子：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。

再举个例子： 最近为了争夺在线支付市场，支付宝年底经常会做诱人的扫红包-支付-给奖励金的

活动。那么大家想想为什么有人扫的红包又大又新鲜8块、10块...，而有人扫的红包都是1毛，5

毛....。其实这背后也是一个多态行为。支付宝首先会分析你的账户数据，比如你是新用户、比如

你没有经常支付宝支付等等，那么你需要被鼓励使用支付宝，那么就你扫码金额 =random()%99；比如你经常使用支付宝支付或者支付宝账户中常年没钱，那么就不需要太鼓励你去使用支付宝，那么就你扫码金额 = random()%1；总结一下：同样是扫码动作，不同的用户扫 得到的不一样的红包，这也是一种多态行为。

(ps：支付宝红包问题纯属瞎编，大家仅供娱乐.)

多态的定义和实现

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

虚函数

被virtual修饰的类成员函数被称为虚函数。

class Person
{
public:
	//被virtual修饰的类成员函数
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
};

需要注意的是：

1.只有类的非静态成员函数前可以加virtual，普通函数前不能加virtual。
2.虚函数这里的virtual和虚继承中的virtual是同一个关键字，但是它们之间没有任何关系。虚函数这里的virtual是为了实现多态，而虚继承的virtual是为了解决菱形继承的数据冗余和二义性。

虚函数的重写

虚函数的重写也叫做虚函数的覆盖，若派生类中有一个和基类完全相同的虚函数(返回值类型相同、函数名相同以及参数列表完全相同)，此时我们称该派生类的虚函数重写了基类的虚函数。

例如，我们以下Student和Soldier两个子类重写了父类Person的虚函数。

//父类
class Person
{
public:
	//父类的虚函数
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
	//子类的虚函数重写了父类的虚函数
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-半价" << endl;
	}
};
//子类
class Soldier : public Person
{
public:
	//子类的虚函数重写了父类的虚函数
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "优先-买票" << endl;
	}
};

现在我们就可以通过父类Person的指针或者引用调用虚函数BuyTicket，此时不同类型的对象，调用的就是不同的函数，产生的也是不同的结果，进而实现了函数调用的多种形态。

void Func(Person& p)
{
	//通过父类的引用调用虚函数
	p.BuyTicket();
}
void Func(Person* p)
{
	//通过父类的指针调用虚函数
	p->BuyTicket();
}
int main()
{
	Person p;   //普通人
	Student st; //学生
	Soldier sd; //军人

	Func(p);  //买票-全价
	Func(st); //买票-半价
	Func(sd); //优先买票

	Func(&p);  //买票-全价
	Func(&st); //买票-半价
	Func(&sd); //优先买票
	return 0;
}

注意： 在重写基类虚函数时，派生类的虚函数不加virtual关键字也可以构成重写，主要原因是因为继承后基类的虚函数被继承下来了，在派生类中依旧保持虚函数属性。但是这种写法不是很规范，因此建议在派生类的虚函数前也加上virtual关键字。

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。

例如，下列代码中基类Person当中的虚函数fun的返回值类型是基类A对象的指针，派生类Student当中的虚函数fun的返回值类型是派生类B对象的指针，此时也认为派生类Student的虚函数重写了基类Person的虚函数。 

//基类
class A
{};
//子类
class B : public A
{};
//基类
class Person
{
public:
	//返回基类A的指针
	virtual A* fun()
	{
		cout << "A* Person::f()" << endl;
		return new A;
	}
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
	//返回子类B的指针
	virtual B* fun()
	{
		cout << "B* Student::f()" << endl;
		return new B;
	}
};

此时，我们通过父类Person的指针调用虚函数fun，父类指针若指向的是父类对象，则调用父类的虚函数，父类指针若指向的是子类对象，则调用子类的虚函数。

int main()
{
	Person p;
	Student st;
	//父类指针指向父类对象
	Person* ptr1 = &p;
	//父类指针指向子类对象
	Person* ptr2 = &st;
	//父类指针ptr1指向的p是父类对象，调用父类的虚函数
	ptr1->fun(); //A* Person::f()
	//父类指针ptr2指向的st是子类对象，调用子类的虚函数
	ptr2->fun(); //B* Student::f()
	return 0;
}

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。

例如，下面代码中父类Person和子类Student的析构函数构成重写。

//父类
class Person
{
public:
	virtual ~Person()
	{
		cout << "~Person()" << endl;
	}
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
	virtual ~Student()
	{
		cout << "~Student()" << endl;
	}
};

那父类和子类的析构函数构成重写的意义何在呢？试想以下场景：分别new一个父类对象和子类对象，并均用父类指针指向它们，然后分别用delete调用析构函数并释放对象空间。

int main()
{
	//分别new一个父类对象和子类对象，并均用父类指针指向它们
	Person* p1 = new Person;
	Person* p2 = new Student;

	//使用delete调用析构函数并释放对象空间
	delete p1;
	delete p2;
	return 0;
}

在这种场景下，若是父类和子类的析构函数没有构成重写就可能会导致内存泄漏，因为此时delete p1和delete p2都是调用的父类的析构函数，而我们所期望的是p1调用父类的析构函数，p2调用子类的析构函数，即我们期望的是一种多态行为。
此时只有父类和子类的析构函数构成了重写，才能使得delete按照我们的预期进行析构函数的调用，才能实现多态。因此，为了避免出现这种情况，比较建议将父类的析构函数定义为虚函数。

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，有些情况下由于疏忽可能会导致函数名的字母次序写反而无法构成重写，而这种错误在编译期间是不会报错的，直到在程序运行时没有得到预期结果再来进行调试会得不偿失，因此，C++11提供了final和override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

//父类
class Person
{
public:
	//被final修饰，该虚函数不能再被重写
	virtual void BuyTicket() final
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
	//重写，编译报错
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-半价" << endl;
	}
};
//子类
class Soldier : public Person
{
public:
	//重写，编译报错
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "优先-买票" << endl;
	}
};

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。

//父类
class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
	//子类完成了父类虚函数的重写，编译通过
	virtual void BuyTicket() override
	{
		cout << "买票-半价" << endl;
	}
};
//子类
class Soldier : public Person
{
public:
	//子类没有完成了父类虚函数的重写，编译报错
	virtual void BuyTicket(int i) override
	{
		cout << "优先-买票" << endl;
	}
};

重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

抽象类

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();
}

抽象类既然不能实例化出对象，那抽象类存在的意义是什么？

1. 抽象类可以更好的去表示现实世界中，没有实例对象对应的抽象类型，比如：植物、人、动物等。
2. 抽象类很好的体现了虚函数的继承是一种接口继承，强制子类去重写纯虚函数，因为子类若是不重写从父类继承下来的纯虚函数，那么子类也是抽象类也不能实例化出对象。

接口继承和实现继承

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的实现，可以使用该函数。 

#include <iostream>

class Base {
public:
    void regularFunction() {
        std::cout << "Base class regular function" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
    // Derived类继承了Base类的regularFunction实现
};

int main() {
    Derived d;
    d.regularFunction(); // 调用的是Base类中的regularFunction
    return 0;
}

• Base 类中定义了一个普通的成员函数 regularFunction。
• Derived 类继承了 Base 类，并且可以直接调用 Base 类的 regularFunction。

接口继承： 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。

#include <iostream>

class Base {
public:
    virtual void virtualFunction() {
        std::cout << "Base class virtual function" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void virtualFunction() override {
        std::cout << "Derived class virtual function" << std::endl;
    }
};

void execute(Base* b) {
    b->virtualFunction();
}

int main() {
    Base base;
    Derived derived;

    execute(&base);    // 调用Base类中的virtualFunction
    execute(&derived); // 调用Derived类中的virtualFunction，实现多态

    return 0;
}

• Base 类中定义了一个虚函数 virtualFunction。
• Derived 类继承了 Base 类，并重写了 virtualFunction。
• execute 函数接收一个 Base 类的指针参数，并调用其 virtualFunction 方法。
• 通过传递不同的对象指针，execute 函数实现了多态，分别调用了 Base 和 Derived 类中的 virtualFunction。

建议： 所以如果不实现多态，就不要把函数定义成虚函数。

#include <iostream>

class Base {
public:
    void regularFunction() {
        std::cout << "Base class regular function" << std::endl;
    }

    virtual void virtualFunction() {
        std::cout << "Base class virtual function" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void regularFunction() {
        std::cout << "Derived class regular function" << std::endl;
    }

    void virtualFunction() override {
        std::cout << "Derived class virtual function" << std::endl;
    }
};

void execute(Base* b) {
    b->virtualFunction();
}

int main() {
    Base base;
    Derived derived;

    std::cout << "Using Base object:" << std::endl;
    base.regularFunction();        // 调用Base类中的regularFunction
    base.virtualFunction();        // 调用Base类中的virtualFunction

    std::cout << "Using Derived object:" << std::endl;
    derived.regularFunction();     // 调用Derived类中的regularFunction
    derived.virtualFunction();     // 调用Derived类中的virtualFunction

    std::cout << "Using polymorphism:" << std::endl;
    execute(&base);    // 调用Base类中的virtualFunction
    execute(&derived); // 调用Derived类中的virtualFunction，实现多态

    return 0;
}

如果不需要实现多态，就不要将函数定义为虚函数。这样可以避免不必要的虚函数表开销，并且明确函数的用途。

多态的原理

虚函数表

下面是一道常考的笔试题：Base类实例化出对象的大小是多少？
class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
};

通过观察测试，我们发现Base类实例化的对象b的大小是8个字节。

b对象当中除了_b成员外，实际上还有一个_vfptr放在对象的前面（有些平台可能会放到对象的最后面，这个跟平台有关）。

 

对象中的这个指针叫做虚函数表指针，简称虚表指针，虚表指针指向一个虚函数表，简称虚表，每一个含有虚函数的类中都至少有一个虚表指针。

虚函数表中到底放的是什么？ 

下面Base类当中有三个成员函数，其中Func1和Func2是虚函数，Func3是普通成员函数，子类Derive当中仅对父类的Func1函数进行了重写。

#include <iostream>
using namespace std;
//父类
class Base
{
public:
	//虚函数
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Base::Func1()" << endl;
	}
	//虚函数
	virtual void Func2()
	{
		cout << "Base::Func2()" << endl;
	}
	//普通成员函数
	void Func3()
	{
		cout << "Base::Func3()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
};
//子类
class Derive : public Base
{
public:
	//重写虚函数Func1
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Derive::Func1()" << endl;
	}
private:
	int _d = 2;
};
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}

通过调试可以发现，父类对象b和基类对象d当中除了自己的成员变量之外，父类和子类对象都有一个虚表指针，分别指向属于自己的虚表。

实际上虚表当中存储的就是虚函数的地址，因为父类当中的Func1和Func2都是虚函数，所以父类对象b的虚表当中存储的就是虚函数Func1和Func2的地址。

而子类虽然继承了父类的虚函数Func1和Func2，但是子类对父类的虚函数Func1进行了重写，因此，子类对象d的虚表当中存储的是父类的虚函数Func2的地址和重写的Func1的地址。这就是为什么虚函数的重写也叫做覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数地址的覆盖，重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。

其次需要注意的是：Func2是虚函数，所以继承下来后放进了子类的虚表，而Func3是普通成员函数，继承下来后不会放进子类的虚表。此外，虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况下会在这个数组最后放一个nullptr。

总结一下，派生类的虚表生成步骤如下：

1. 先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类的虚表。
2. 如果派生类重写了基类中的某个虚函数，则用派生类自己的虚函数地址覆盖虚表中基类的虚函数地址。
3. 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。

虚表是什么阶段初始化的？虚函数存在哪里？虚表存在哪里？ 

 虚表实际上是在构造函数初始化列表阶段进行初始化的，注意虚表当中存的是虚函数的地址不是虚函数，虚函数和普通函数一样，都是存在代码段的，只是他的地址又存到了虚表当中。另外，对象中存的不是虚表而是指向虚表的指针。
至于虚表是存在哪里的，我们可以通过以下这段代码进行判断。

int j = 0;
int main()
{
	Base b;
	Base* p = &b;
	printf("vfptr:%p\n", *((int*)p)); //000FDCAC
	int i = 0;
	printf("栈上地址:%p\n", &i);       //005CFE24
	printf("数据段地址:%p\n", &j);     //0010038C

	int* k = new int;
	printf("堆上地址:%p\n", k);       //00A6CA00
	char* cp = "hello world";
	printf("代码段地址:%p\n", cp);    //000FDCB4
	return 0;
}

代码当中打印了对象b当中的虚表指针，也就是虚表的地址，可以发现虚表地址与代码段的地址非常接近，由此我们可以得出虚表实际上是存在代码段的。

多态的原理

例如，下面代码中，为什么当父类Person指针指向的是父类对象Mike时，调用的就是父类的BuyTicket，当父类Person指针指向的是子类对象Johnson时，调用的就是子类的BuyTicket? 

#include <iostream>
using namespace std;
//父类
class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
	int _p = 1;
};
//子类
class Student : public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-半价" << endl;
	}
	int _s = 2;
};
int main()
{
	Person Mike;
	Student Johnson;
	Johnson._p = 3; //以便观察是否完成切片
	Person* p1 = &Mike;
	Person* p2 = &Johnson;
	p1->BuyTicket(); //买票-全价
	p2->BuyTicket(); //买票-半价
	return 0;
}

 

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)  
... 
}

动态绑定和静态绑定

静态绑定： 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，也成为静态多态，比如：函数重载。

动态绑定： 动态绑定又称为后期绑定(晚绑定)，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。

我们可以通过查看汇编的方式进一步理解静态绑定和动态绑定。

对于下列代码：

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

我们若是按照如下方式调用BuyTicket函数，则不构成多态，函数的调用是在编译时确定的。

int main()
{
	Student Johnson;
	Person p = Johnson; //不构成多态
	p.BuyTicket();
	return 0;
}

将调用函数的那句代码翻译成汇编就只有以下两条汇编指令，也就是直接调用的函数。 

 

而我们若是按照如下方式调用BuyTicket函数，则构成多态，函数的调用是在运行时确定的。 

int main()
{
	Student Johnson;
	Person& p = Johnson; //构成多态
	p.BuyTicket();
	return 0;
}

相比不构成多态时的代码，构成多态时调用函数的那句代码翻译成汇编后就变成了八条汇编指令，主要原因就是我们需要在运行时，先到指定对象的虚表中找到要调用的虚函数，然后才能进行函数的调用。这样就很好的体现了静态绑定是在编译时确定的，而动态绑定是在运行时确定的