【C++】多态详解

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一、多态的概念

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)，后面我们讲的多态主要是指运行时多态。
编译时多态(静态多态)主要就是 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。

二、多态的效果及实现

1.多态的效果

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。

class Person 
{
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};class Student : public Person 
{
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
};void Func(Person& people)
{// 这⾥可以看到虽然都是基类引用people在调⽤BuyTicket// 但是调用的是 基类中的虚函数 还是 派生类中对基类虚函数的重写版本 跟people没关系，// ⽽是由people引用的对象决定的。people.BuyTicket();
} int main()
{Person Mike;Func(Mike); // 传基类对象，后续会调用基类中虚函数Student Johnson;Func(Johnson); // 传派生类对象，后续会调用派生类中对基类虚函数的重写版本return 0;
}

2.实现多态有两个必须条件

1. 必须是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，并且完成了虚函数的重写/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，派生类只有实现了虚函数的重写，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。

3.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 以及 静态成员函数 不能加virtual修饰）

class Person 
{
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; } // 虚函数
};class Student : public Person 
{
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; } // 虚函数
};

4.虚函数的重写/覆盖

虚函数的重写/覆盖：派生类中有⼀个跟基类相同的虚函数(相同是指派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表类型完全相同)，称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。

派生类虚函数的函数体中内容一般是与基类虚函数的函数体中内容不一致的，因为派生类虚函数对基类虚函数的重写本来就是对基类虚函数的函数体中内容进行重写，其他部分仍和基类虚函数保持一致，所以如果派生类虚函数的函数体中内容与基类虚函数的函数体中内容一致，那么重写是没有什么意义的。

注意：在重写基类虚函数时，与基类虚函数构成重写的派生类虚函数可以省略virtual关键字(因为继承后基类的虚函数属性被继承下来了)，也可以构成重写。但是该种写法不是很规范，一般情况下不建议这样使用。

class A
{
public :virtual void func(int val = 1) { cout << "A->" << val << endl; }
};                                  class B : public A                  
{                                   
public :void func(int val = 0) { cout << "B->" << val << endl; }
};  // 派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表类型完全相同，// 可以构成重写，重写后的版本如下:// virtual void func(int val = 1) { cout << "B->" << val << endl; }

5.多态场景下两个很坑的选择题

1. 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

class A
{
public :virtual void func(int val = 1) { cout << "A->" << val << endl; }virtual void test() { func(); } // 2.把省略的this指针补上，实际是 this->func();
};                                  // 因为此时处于基类作用域，所以this指针的类型是A*，// 而且func()是虚函数，派生类中还完成了虚函数的重写，
class B : public A                  // 满足多态的两个必须条件，此时的函数调用是多态调用。
{                                   // 派生类B的对象会调用派生类中对基类虚函数的重写版本
public :void func(int val = 0) { cout << "B->" << val << endl; }
};  // 3.派生类虚函数对基类虚函数的重写是对基类虚函数的函数体中内容进行重写，// 其他部分仍和基类虚函数保持一致，所以重写后的版本如下:// virtual void func(int val = 1) { cout << "B->" << val << endl; }
int main(int argc, char* argv[])
{B* p = new B;p->test(); // 1.因为p是派生类的指针，所以这里只是正常调用test()成员函数，跟多态无关。return 0;  // 在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。这里会先去派生类作用域中寻找
}              // test()成员函数，没找到再去继承的基类作用域中找，找到了test()成员函数

2. 以下程序输出结果是什么（）
   A: 1 0 B: 0 1 C: 0 1 2 D: 2 1 0 E: 不可预期 F: 以上都不对

class A
{
public:A():m_iVal(0){test();}virtual void func() { std::cout << m_iVal << ' '; }void test() { func(); }protected:int m_iVal;
};class B : public A
{
public:B() { test(); }virtual void func(){++m_iVal;std::cout << m_iVal << ' ';}
};int main()
{A* p = new B;p->test();return 0;
}

分析:new B时先调用父类A的构造函数，执行test()函数，在调用func()函数，由于此时还处于对象构造阶段，多态机制还没有生效，所以，此时执行的func函数为父类的func函数，打印0，构造完父类后执行子类构造函数，又调用test函数，然后又执行func(),由于父类已经构造完毕，虚表已经生成，func满足多态的条件，所以调用子类的func函数，对成员m_iVal加1，进行打印，所以打印1， 最终通过父类指针p->test(),也是执行子类的func,所以会增加m_iVal的值，最终打印2

6.重载/重写/隐藏的对比

三、虚函数重写的一些其他知识

1.协变（了解）

有一种特殊情况，派生类虚函数重写基类虚函数时，可以与基类虚函数的返回值类型不同。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，这种特殊情况称为协变。

示例一：

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& people)
{people.BuyTicket();
} int main()
{Person Mike;Func(Mike);Student Johnson;Func(Johnson);return 0;
}

示例二：

class Person 
{
public:virtual Person* BuyTicket(){cout << "买票-全价" << endl;return nullptr;}
};class Student : public Person 
{
public:virtual  Student* BuyTicket(){ cout << "买票-打折" << endl;return nullptr;}
};void Func(Person& people)
{people.BuyTicket();
} int main()
{Person Mike;Func(Mike);Student Johnson;Func(Johnson);return 0;
}

2.析构函数的重写

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virtual修饰，派生类的析构函数就构成重写。

下面的代码我们可以看到，如果 ~A()，不加virtual，那么delete p2时只调用的A的析构函数，没有调用B的析构函数，就会导致内存泄漏问题，因为 ~B()中在释放资源。

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;
}

只要把基类中的析构函数设计为虚函数就可以避免上述示例中的问题。如下：

class A
{
public :virtual ~A(){cout << "~A()" << endl;}
};class B : public A 
{
public:~B() // 派生类的析构函数会在被调用完成后自动调用基类的析构函数清理基类成员{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;
}

3.检测是否重写（override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，只有在程序运行结束后没有得到预期结果，用户再去调试才能发现，这样效率太低了。因此C++11提供了override，可以帮助用户检测是否重写。

class Car 
{
public:virtual void Dirve() { }
};class Benz :public Car 
{
public:virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};  // 函数名Drive拼写错了，导致无法构成重写。override可以在编译阶段就报出不能构成重写的错误

class Car 
{
public:virtual void Dirve() { }
};class Benz :public Car 
{
public:virtual void Dirve() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};  // 把函数名改成一致的，构成重写。override就不报错了

4.实现一个不能被派生类重写的虚函数（final关键字）

用final修饰的基类虚函数，不能被派生类里的虚函数重写。

class Car
{
public :virtual void Drive() final {}
};class Benz :public Car
{
public :virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};

四、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。

示例一（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）：

class Car
{
public :virtual void Drive() = 0;
};class Benz :public Car
{
public:void test() { }
};int main()
{Car car;Benz benz;return 0;
}

示例二：

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()
{Car* pBenz = new Benz;pBenz->Drive();Car* pBmw = new Bmw;pBmw->Drive();return 0;
}

五、多态的原理

1.虚函数表指针

class Base
{
public :virtual void Func1() { cout << "Func1()" << endl; }
protected:int _b = 1;
};int main()
{Base b;cout << sizeof(b) << endl;return 0;
}

在32位运行环境下的结果为：

在64位运行环境下的结果为：

Base类的成员变量不是只有一个整型_b嘛，为什么计算这个类对象的大小不是4呢，而且类对象的大小还受运行环境的影响，这是为什么呢？

原因是：只要类中包含虚函数，那么这个类生成的对象中就会多一个__vfptr指针放在对象的最前面(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)，而指针的大小是受运行环境影响的，所以类对象的大小就会受到运行环境的影响了。
一个含有虚函数的类中都至少有一个虚函数表指针（单继承只有一个虚函数表指针；多继承的时候，一个派生类就可能会有多张虚表，就会有多个虚函数表指针），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，而要通过虚函数表指针才能找到虚函数表，虚函数表也简称虚表。

2.虚函数表

1. 虚函数表本质是⼀个存虚函数指针的指针数组。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。
2. 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。
3. 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。
4. 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，(3)派生类自己的虚函数地址（调试时一般看不到这个部分）三个部分。
5. 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(常量区)的，只是虚函数的地址又存到了虚表中。
6. 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，vs下是存在代码段(常量区)

示例一（同类型的对象中__vfptr指针存储同一个地址，这证明同类型的对象共用同⼀张虚表）：

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;
};int main()
{Person ps1;Person ps2;Student st1;Student st2;return 0;
}

示例二（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）：

class Person
{
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }virtual void Print() { cout << _name << endl; }
private:string _name = "jack";
};class Student : public Person
{
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }virtual void Print() { cout << _id << endl; }
private:string _id = "123";
};class Soldier : public Person 
{
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-优先" << endl; }// Soldier类没有对基类的Print虚函数进行重写
private:string _codename = "9527";
};int main()
{Person ps;Student st;Soldier sr;return 0;
}

3.多态是如何实现的

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。

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()
{Person ps;Student st;Soldier sr;Func(&ps);Func(&st);Func(&sr);return 0;
}

4.动态绑定与静态绑定

1. 对不满足多态条件(基类指针或者引用+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。
2. 满足多态条件的函数调用是在运行时绑定（编译时确定不了多态调用的行为，因为同一个多态函数调用，基类指针指向不同的对象会表现出不同行为），也就是在运行时到指向对象的虚函数表中找到调用数的地址，也就做动态绑定。

// 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)// 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

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