C++笔记13•面向对象之多态•

多态

1.多态的概念

概念：

通俗来说，就是多种形态， 具体来说就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会 产生出不同的状态 。

举例：

比如购买火车票：成人：买成人票全价学生：买学生票半价

2.多态的定义及实现

（1）定义：

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。（见下图）

则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（见下图）

（2）虚函数
虚函数：即被 virtual 修饰的类成员函数称为虚函数
class Person
{
public:
 virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;}
};
（3）虚函数的重写
虚函数的重写 ( 覆盖 ) ： 派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数 ( 即派生类虚函数与基类虚函数的 返回值类型、函数名字、参数列表完全相同 ) ，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。

Ps：这里的重写与函数重载、继承中的隐藏是有区别的。后面做对比

重写和覆盖在C++中是一个意思：

语法角度: 重写是指在派生类中重新定义基类中的虚函数。这样，派生类可以提供自己的实现，而不是使用基类的实现。
物理角度: 覆盖是指派生类的虚函数覆盖了基类的虚函数实现。这意味着当通过基类指针或引用调用该函数时，将执行派生类的实现。
class Person {
public:
 virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
 virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }

/*注意：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因
为继承后基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性),但是该种写法不是很规范，不建议
这样使用*/
/*void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }*/

};

void Func(Person& p)
{ 
    p.BuyTicket();
}
（4）虚函数的重写的例外：
1） 协变( 基类与派生类虚函数返回值类型不同 )

定义： 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。
class A{};
class B : public A 
{};

class Person {
public:
 virtual A* f() {return new A;}
};
class Student : public Person {
public:
 virtual B* f() {return new B;}
};
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。 destructor在c++就是析构函数
class Person {
public:
 virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};
class Student : public Person {
public:
 virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};

// 只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数，下面的delete对象调用析构函
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()
{
 Person* p1 = new Person;
 Person* p2 = new Student;

//多态
 delete p1;
 delete p2;

 return 0;
}
（5） C++11 override 和 final 检查重写的关键字
// final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写
class Car
{
public:
 virtual void Drive() final
  {}
};
class Benz :public Car
{
public:
 virtual void Drive() {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};




// 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。
class Car{
public:
 virtual void Drive(){}
};
class Benz :public Car {
public:
 virtual void Drive() override 
    {
        cout << "Benz-舒适" << endl;
    }
};
（6）函数重载、覆盖 ( 重写 ) 、隐藏 ( 重定义 ) 的对比

3.抽象类

（1）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//抽象类（接口类）
{
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 test7()
{
	//Car c;  //此处会报错  因为Car是抽象类  不能实例化出对象
	Car* pBenz = new Benz;
	pBenz->Drive();
	Car* pBMW = new BMW;
	pBMW->Drive();
}
（2）接口继承和实现继承

普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，可以使用函数，继承的是函数的实现。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，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

4.多态的原理

（1）虚函数表

一个含有虚函数的类中都至少都有一个虚函数表指针（_vfptr），因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表。
class Base
{
public:
 virtual void Func1()
 {
 cout << "Base::Func1()" << endl;
 }
 virtual void Func2()
 {
 cout << "Base::Func2()" << endl;
 }
 void Func3()
 {
 cout << "Base::Func3()" << endl;
 }
private:
 int _b = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
 virtual void Func1()
 {
 cout << "Derive::Func1()" << endl;
 }
private:
 int _d = 2;
};
int main()
{
 Base b;
 Derive d;
 return 0;
}
通过观察和测试，发现了以下几点问题：

(1). 派生类对象 d 中也有一个虚表指针， d 对象由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员，虚表指针也就是存在部分的另一部分是自己的成员。

(2). 基类 b 对象和派生类 d 对象虚表是不一样的，这里我们发现 Func1 完成了重写，所以 d 的虚表 中存的是重写的 Derive::Func1 ，所以虚函数的重写也叫作覆盖 ，覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。

(3). 另外 Func2 继承下来后是虚函数，所以放进了虚表， Func3 也继承下来了，但是不是虚函

数，所以不会放进虚表。

(4). 虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况这数组最后面放了一个 nullptr 。

(5). 总结一下派生类的虚表生成：

a. 先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中

b. 如果派生类重写了基类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数

c. 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。

(6). 这里还有一个很容易混淆的问题：

虚函数存在哪的？虚表存在哪的？

答：虚函数存在虚表中，虚表存在对象中。（×××No No No）注意这个回答是错的。

注意:

虚表存的是虚函数指针，不是虚函数 ，虚表是一个函数指针数组，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的(C语言叫做常量区)，只是他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。在VS环境下虚表也是存在代码段的。

（2）多态原理：
class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};
void Func(Person* p)
{
	p->BuyTicket();
}
int main()
{
	Person man;
	Student child;
	Func(&man);
	Func(&child);
	return 0;
}
从这个买票的规则，成人购买成人票，学生购买学生票可以发现，当对象是派生类对象会去派生类的虚表中找虚函数的地址，当对象是基类对象会去基类的虚表中找虚函数的地址，进行调用。反过来也说明要达到多态，必须有两个条件，一个是虚函数覆盖，一个是对象的指针或引用调用虚函数，如果不是指针或引用它的地址就变了，属于局部变量，就找不到虚表了，也就找不到虚函数的地址了。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(动态绑定)。不满足多态的函数调用时编译时确认好的(静态绑定)。
(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 。

5.单继承和多继承关系的虚函数表

（1）单继承虚函数表
class Base 
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
private:
	int _b;
};

class Derive :public Base 
{
public:
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
	virtual void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
private:
	int _d;
};


typedef void(*VFPTR) ();//typedef void(*VFPTR) (); 是在定义一个新的类型 VFPTR，这个类型是一个指向返回类型为 void 且不接受任何参数的函数的指针。  不能写为 typedef void(*VFPTR)() VFPTR;
//将类型 void(*)() 重命名为 VFPTR，这个重命名使得你以后可以用 VFPTR 来声明函数指针变量
//(*VFPTR) 中的 *VFPTR 表示这是一个指针，指向的是一个函数

void PrintVTable(VFPTR* vTable)//  等价于void PrintVTable(VFPTR vTable[])    VFPTR* vTable 其中vTable是函数指针数组的数组名 数组里存放的是（vTable[i]）函数指针
{
	// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
	cout << " 虚表地址->" << vTable << endl;
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	{
		//printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
		printf(" 第%d个虚函数地址 :%p,->", i, vTable[i]);
		VFPTR f = vTable[i];  //vTable[i]是函数指针
		f();//  等价于 vTable[i]();
		
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	PrintVTable((VFPTR*)(*(int*)&d));

	return 0;
}
从代码和图发现func2的地址在基类和派生类中的地址一样，这是由于派生类没有对基类的func2函数进行重写，地址还是基类虚表中的func2函数地址。还有一个问题是派生类有三个函数加上继承基类的func2，一共四个呀，自己本身的func3和func4去哪呢？

这是编译器的一个bug：

Derive的func3和func4没有显示出来，这是监视窗口故意隐藏了它。可以用代码进行打印。
typedef void(*VFPTR) ();//typedef void(*VFPTR) (); 
void PrintVTable(VFPTR* vTable)//  
{
	// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
	cout << " 虚表地址->" << vTable << endl;
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	{
		//printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
		printf(" 第%d个虚函数地址 :%p,->", i, vTable[i]);
		VFPTR f = vTable[i];  //vTable[i]是函数指针
		f();//  等价于 vTable[i]();
		
	}
	cout << endl;
}
※注意：

思路：取出b、d对象的头4bytes，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对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针
3）.再强转成VFPTR*，因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。
4）.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表
5）. 需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最后面没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的-生成-清理解决方案，再编译就好了。

（ 2）多继承虚函数表
class Base1 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; }
private:
	int b1;
};
class Base2 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; }
private:
	int b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
private:
	int d1;
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
	cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
		VFPTR f = vTable[i];
		f();
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	Derive d;
	VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
	PrintVTable(vTableb1);
	VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1)));
	PrintVTable(vTableb2);
	return 0;
}
多继承派生类的未重写的虚函数（func3）放在第一个继承基类部分的虚函数表中。

Base1 的 func1 地址：直接指向 Derive::func1，因为无需调整 this 指针。
Base2 的 func1 地址：指向一个 thunk，用于调整 this 指针，然后再调用 Derive::func1。

ps：

误区1：

基类中有虚函数，如果子类中没有重写基类的虚函数，此时子类与基类共用同一张虚表（x）

说法错误：

基类中有虚函数，不管子类中有没有重写基类的虚函数，子类与基类都不共用同一张虚表。

误区2：

A 类对象和 B 类对象前 4 个字节存储的都是虚基表的地址。（x）

虚基表存储的是偏移量，是用来解决菱形继承存在数据冗余和二异性的问题。

A 类对象和 B 类对象前 4 个字节存储的都是虚表的地址。（√）

C++笔记13•面向对象之多态•

多态

1.多态的概念

2.多态的定义及实现

3.抽象类

4.多态的原理

5.单继承和多继承关系的虚函数表

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