C++ 多态超详细讲解

文章目录

多态概念引入
1、C++中多态的实现
2、抽象类
- 2.1 抽象类的概念
- 2.2 接口继承和实现继承
3、多态的原理
4 、继承中的虚函数表
- 4.1 单继承中的虚函数表
- 4.2 多继承中的虚函数表

多态概念引入

多态字面意思就是多种形态。
我们先来想一想在日常生活中的多态例子：买票时，成人买票全价，如果是学生那么半价，如果是军人，就可以优先买票。不同的人买票会有不同的实现方法，这就是多态。

1、C++中多态的实现

1.1 多态的构成条件

C++的多态必须满足两个条件：
1 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
2 被调用的函数是虚函数，且必须完成对基类虚函数的重写
我们来看看具体实现。

class Person //成人
{
  public:
  virtual void fun()
   {
       cout << "全价票" << endl; //成人票全价
   }
};
class Student : public Person //学生
{
   public:
   virtual void fun() //子类完成对父类虚函数的重写
   {
       cout << "半价票" << endl;//学生票半价
   }
};
void BuyTicket(Person* p)
{
   p->fun();
}

int main()
{
   Student st;
   Person p;
   BuyTicket(&st);//子类对象切片过去
   BuyTicket(&p);//父类对象传地址
}

调用的两个BuyTicket() 答案是什么呢？

如果不满足多态呢？

这说明了很重要的一点，如果满足多态，编译器会调用指针指向对象的虚函数，而与指针的类型无关。如果不满足多态，编译器会直接根据指针的类型去调用虚函数。

1.2 虚函数

用virtual修饰的关键字就是虚函数。
虚函数只能是类中非静态的成员函数。

virtual void fun() //error！ 在类外面的函数不能是虚函数
{}

1.3虚函数的重写

子类和父类中的虚函数拥有相同的名字，返回值，参数列表，那么称子类中的虚函数重写了父类的虚函数，或者叫做覆盖。

class Person
{
  public:
   virtual void fun()
   {
      cout << "Person->fun()" << endl;
   }
};
class Student
{
   public:
   //子类重写的虚函数可以不加virtual，因为子类继承了父类的虚函数，
   //编译器会认为你是想要重写虚函数。
   //void fun() 可以直接这样，也对，但不推荐。           
   virtual void fun()//子类重写父类虚函数
   {
     cout << "Student->fun()" << endl;
   }
};

虚函数重写的两个例外：

协变：
子类的虚函数和父类的虚函数的返回值可以不同，也能构成重载。但需要子类的返回值是一个子类的指针或者引用，父类的返回值是一个父类的指针或者引用，且返回值代表的两个类也成继承关系。这个叫做协变。

class Person
{
  public:
   virtual Person* fun()//返回父类指针
   {
      cout << "Person->fun()" << endl;
      return nullptr;
   }
};
class Student
{
   public:
            //返回子类指针，虽然返回值不同，也构成重写
   virtual Student* fun()//子类重写父类虚函数
   {
     cout << "Student->fun()" << endl;
     return nullptr;
   }
};

也可以这样，也是协变，

class A
{};
class B : public A
{};   //B继承A
class Person
{
  public:
   virtual A* fun()//返回A类指针
   {
      return nullptr;
   }
};
class Student
{
   public:
            //返回B类指针，虽然返回值不同，也构成重写
   virtual B* fun()//子类重写父类虚函数
   {
     return nullptr;
   }
};

2.析构函数的重写
析构函数是否需要重写呢？
让我们来考虑这样一种情况，

//B继承了A，他们的析构函数没有重写。
class A
{
  public:
  ~A()
  {
     cout << "~A()" << endl;
  }
};
class B : public A
{
  public:
  ~B()
  {
    cout << "~B()" << endl;
  }
};

 A* a = new B; //把B的对象切片给A类型的指针。
 delete a; //调用的是谁的析构函数呢？你希望调用谁的呢？

显然我们希望调用B的析构函数，因为我们希望析构函数的调用跟指针指向的对象有关，而跟指针的类型无关。这不就是多态吗？但是结果却调用了A的析构函数。
所以析构函数要实现多态。But，析构函数名字天生不一样，怎么实现多态？
实际上，析构函数被编译器全部换成了Destructor，所以我们加上virtual就可以。
只要父类的析构函数用virtual修饰，无论子类是否有virtual，都构成析构。
这也解释了为什么子类不写virtual可以构成重写，因为编译器怕你忘记析构。

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

1.4 C++11 override && final

C++11新增了两个关键字。用final修饰的虚函数无法重写。用final修饰的类无法被继承。final像这个单词的意思一样，这就是最终的版本，不用再更新了。

class A final //A类无法被继承
{
public:
  virtual void fun() final //fun函数无法被重写
  {}
};

class B : public A //error
{
  public:
    virtual void fun() //error
    {
     cout << endl;
    }
};

被override修饰的虚函数，编译器会检查这个虚函数是否重写。如果没有重写，编译器会报错。

class A  
{
public:
  virtual void fun() 
  {}
};

class B : public A 
{
  public:
  //这里我想重写fun，但写成了fun1，因为有override,编译器会报错。
    virtual void fun1() override
    {
     cout << endl;
    }
};

1.5 重载，覆盖(重写)，重定义（隐藏）

这里我们来理一理这三个概念。
1.重载：重载函数处在同一作用域。
函数名相同，函数列表必须不同。
2.覆盖：必须是虚函数，且处在父类和子类中。
返回值，参数列表，函数名必须完全相同（协变除外）。
3.重定义：子类和父类的成员变量相同或者函数名相同，
子类隐藏父类的对应成员。
子类和父类的同名函数不是重定义就是重写。

2、抽象类

2.1 抽象类的概念

再虚函数的后面加上=0就是纯虚函数，有纯虚函数的类就是抽象类，也叫做接口类。抽象类无法实例化出对象。抽象类的子类也无法实例化出对象，除非重写父类的虚函数。

class Car
{
 public:
    virtual void fun() = 0; //不用实现，只写接口就行。
}

这并不意味着纯虚函数不能写实现，只是我们大部分情况下不写。
那么虚函数有什么用呢？
1，强制子类重写虚函数，完成多态。
2，表示某些抽象类。

2.2 接口继承和实现继承

普通函数的继承就是实现继承，虚函数的继承就是接口继承。子类继承了函数的实现，可以直接使用。虚函数重写后只会继承接口，重写实现。所以如果不用多态，不要把函数写成虚函数。
纯虚函数就体现了接口继承。下面我们来一道题，展现一下接口继承。

class A
{
   public:
   virtual void fun(int val = 0)//父类虚函数
   {
     cout <<"A->val = "<< val << endl;
   }
   void Fun()
   {
      fun();//传过来一个子类指针调用fun()
   }
};
class B: public A
{
   public:
    virtual void fun(int val = 1)//子类虚函数
    {
       cout << "B->val = " << val << endl;
    }
};

B b;
A* a = &b;
a->Fun();

结果是什么呢？
B->val = 0
子类对象切片给父类指针，传给Fun函数，满足多态，会去调用子类的fun函数，但是子类的虚函数继承了父类的接口，所以val是父类的0.

3、多态的原理

3.1 虚函数表

多态是怎样实现的呢？
先来一道题目，

class A
{
  public:
   virtual void fun()
   {}
   protected:
   int _a;
};

sizeof(A)是多少？是4吗？NO，NO，NO！
答案是8个字节。
我们定义一个A类型的对象a，打开调试窗口，发现a的内容如下

我们发现除了成员变量_a以外，还多了一个指针。这个指针是不准确的，实际上应该是_vftptr(virtual function table pointer),即虚函数表指针，简称虚表指针。在计算类大小的时候要加上这个指针的大小。那么虚表是什么呢？虚表就是存放虚函数的地址地方。每当我们去调用虚函数，编译器就会通过虚表指针去虚表里面查找。
下面我们用一个小栗子来说明虚函数的使用会用指针。

class A
{
  public:
  void fun1()
  {}
  virtual void fun2()
  {}
};

A* ap = nullptr;
ap->fun1(); //调用成功，因为这是普通函数的调用
ap->fun2(); //调用失败，虚函数需要对指针操作，无法操作空指针。

我们先来看看继承的虚函数表。

class A
{
  public:
   virtual void fun1()
   {}
   virtual void fun2()
   {}
};
class B : public A
{
 public:
   virtual void fun1()//重写父类虚函数
   {}
   virtual void fun3()
   {}
};
A a;
B b; //我们通过调试看看对象a和b的内存模型。

子类跟父类一样有一个虚表指针。
子类的虚函数表一部分继承自父类。如果重写了虚函数，那么子类的虚函数会在虚表上覆盖父类的虚函数。
本质上虚函数表是一个虚函数指针数组，最后一个元素是nullptr，代表虚表的结束。
所以，如果继承了虚函数，那么
1 子类先拷贝一份父类虚表，然后用一个虚表指针指向这个虚表。
2 如果有虚函数重写，那么在子类的虚表上用子类的虚函数覆盖。
3 子类新增的虚函数按其在子类中的声明次序增加到子类虚表的最后。
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下面来一道面试题：
虚函数存在哪里？
虚函数表存在哪里？
虚函数是带有virtual的函数，虚函数表是存放虚函数地址的指针数组，虚函数表指针指向这个数组。对象中存的是虚函数指针，不是虚函数表。
虚函数和普通函数一样存在代码段。
那么虚函数表存在哪里呢？
我们创建两个A对象，发现他们的虚函数指针相同，这说明他们的虚函数表属于类，不属于对象。所以虚函数表应该存在共有区。
堆？堆需要动态开辟，动态销毁，不合适。
虚函数表放在了全局数据段。

3.2多态的原理

我们现在来看看多态的原理。

class Person //成人
{
  public:
  virtual void fun()
   {
       cout << "全价票" << endl; //成人票全价
   }
};
class Student : public Person //学生
{
   public:
   virtual void fun() //子类完成对父类虚函数的重写
   {
       cout << "半价票" << endl;//学生票半价
   }
};
void BuyTicket(Person* p)
{
   p->fun();
}

这样就实现了不同对象去调用同一函数，展现出不同的形态。
满足多态的函数调用是程序运行是去对象的虚表查找的，而虚表是在编译时确定的。
普通函数的调用是编译时就确定的。

3.3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。
我们说的多态一般是指动态多态。
这里我附上一个有意思的问题：
就是在子类已经覆盖了父类的虚函数的情况下，为什么子类还是可以调用“被覆盖”的父类的虚函数呢？

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
	virtual void func() {
		cout << "Base func\n";
	}
};

class Son : public Base {
public:
	void func() {
		Base::func();
		cout << "Son func\n";
	}
};

int main()
{
	Son b;
	b.func();
	return 0;
}

输出：Base func
Son func
这是C++提供的一个回避虚函数的机制
通过加作用域（正如你所尝试的），使得函数在编译时就绑定。
(这题来自：虚函数)

4 、继承中的虚函数表

4.1 单继承中的虚函数表

这里DV继承BV。

class BV
{
public:
	virtual void Fun1()
	{
		cout << "BV->Fun1()" << endl;
	}
	virtual void Fun2()
	{
		cout << "BV->Fun2()" << endl;
	}
};
class DV : public BV
{
public:
	virtual void Fun1()
	{
		cout << "DV->Fun1()" << endl;
	}
	virtual void Fun3()
	{
		cout << "DV->Fun3()" << endl;
	}
	virtual void Fun4()
	{
		cout << "DV->Fun4()" << endl;
	}
};

我们想个办法打印虚表，

typedef void(*V_PTR)(); //typedef一下函数指针，相当于把返回值为void型的
//函数指针定义成 V_PTR.
void PrintPFTable(V_PTR* table)//打印虚函数表
{  //因为虚表最后一个为nllptr，我们可以利用这个打印虚表。
	for (size_t i = 0; table[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf("table[%d] : %p->", i, table[i]);
		V_PTR f = table[i];
		f();
		cout << endl;
	}
}

BV b;
DV d;
	      // 取出b、d对象的前四个字节，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对象前4个字节的值，这个值就是指向虚表的指针
     // 3.再强转成V_PTR*,这是我们打印虚表函数的类型。
     // 4.虚表指针传给PrintPFTable函数，打印虚表
     // 5,有时候编译器资源释放不完全，我们需要清理一下，不然会打印多余结果。
	PrintPFTable((V_PTR*)(*(int*)&b));
	PrintPFTable((V_PTR*)(*(int*)&d));

结果如下：
456

4.2 多继承中的虚函数表

我们先来看一看一道题目，

class A
{
public:
 virtual void fun1()
 {
   cout << "A->fun1()" << endl;
 }
 protected:
 int _a;
};
class B
{
public:
 virtual void fun1()
 {
   cout << "B->fun1()" << endl;
 } 
 protected:
  int _b;
};
class C : public A, public B
{
  public:
  virtual void fun1()
  {
    cout << "C->fun1()" << endl;
  }
  protected:
  int _c;
};

C c;
//sizeof(c) 是多少呢？

sizeof( c )的大小是多少呢？是16吗？一个虚表指针，三个lnt，考虑内存对齐后确实是16.但是结果是20.
我们来看看内存模型。在VS下，c竟然有两个虚指针
3333
每个虚表里都有一个fun1函数。
所以C的内存模型应该是这样的，
5555
而且如果C自己有多余的虚函数，会按照继承顺序补在第一张虚表后面。
下面还有一个问题，可以看到C::fun1在两张虚表上都覆盖了，但是它们的地址不一样，是不是说在代码段有两段相同的C::fun1呢？
不是的。实际上两个fun1是同一个fun1，里面放的是跳转指令而已。C++也会不犯这个小问题。
最后，我们来打印一下多继承的虚表。

//Derive继承Base1和Base2
class Base1
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "Base1->fun1()" << endl;
	}
	virtual void fun2()
	{
		cout << "Base1->fun2()" << endl;
	}
};
class Base2
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "Base2->fun1()" << endl;
	}
	virtual void fun2()
	{
		cout << "Base2->fun2()" << endl;
	}
};
class Derive : public Base1, public Base2
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "Derive->fun1()" << endl;
	}
	virtual void fun3()
	{
		cout << "Derive->fun3()" << endl;
	}
};

打印的细节，从Base2继承过来的虚表指针放在第一个虚表指针后面，我们想要拿到这个指针需要往后挪一个指针加上一个int的字节，但是指针的大小跟操作系统的位数有关，所以我们可以用加上Base2的大小个字节来偏移。
这里注意要先强转成char*，不然指针的加减会根据指针的类型来确定。

Derive d;
	PrintPFTable((V_PTR*)(*(int*)&d));
	PrintPFTable((V_PTR*)(*(int*)((char*)&d+sizeof(Base2))));

Ret： ret

（全文完）