大家好，今天我们来学习c++进阶的第二课：多态。c++的三大特性就是封装，继承和多态。那么今天我们就来学习一下多态。
目录
1. 多态的概念
2. 多态的定义及实现
2.1 多态的构成条件
2.1.1 实现多态还有两个必须重要条件
2.2 虚函数
2.3 虚函数的重写/覆盖
2.4 多态场景的⼀个选择题
2.5 虚函数重写的⼀些其他问题
2.5.1 协变
2.5.2 析构函数的重写
2.6 override 和 final关键字
2.7 重载/重写/隐藏的对⽐
3. 纯虚函数和抽象类
4. 多态的原理
4.1 虚函数表指针
4.2 多态的原理
4.2.1 多态是如何实现的
4.2.2 动态绑定与静态绑定
4.2.3 虚函数表
1. 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)，这⾥我们重点讲运⾏时多态，编译时多态(静态多态)和运⾏时多态(动态多态)。编译时多态(静态多态)主要就是我们前⾯讲的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。再⽐如，同样是动物叫的⼀个⾏为(函数)，传猫对象过去，就是”(>^ω^<)喵“，传狗对象过去，就是"汪汪"。
比如在这张图片中，学生票是和普通票票价不同的，也就是说学生和非学生两种对象在买票这一个事件中有不同的结果，也就是说，买票这一行为可以看作是动态多态。
2. 多态的定义及实现
2.1 多态的构成条件
2.1.1 实现多态还有两个必须重要条件
实现多态有两个必要的条件：
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，并且完成了虚函数重写/覆盖。
这两个条件都有提到虚函数，那么虚函数是什么呢？让我们看一下
2.2 虚函数
class Person
{
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};此时我们就定义了一个在Person类中的虚函数。
2.3 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)，称派⽣类的虚函数重写了基类的虚函数。
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 };
};在代码中，我们定义了一个子类Student继承父类Person，在子类中，我们按照要求完成了对虚函数BuyTicket的重写。
那么我们现在完成了多态的条件2，还有条件1是什么意思呢？
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; }
};int main()
{Person ps;Student st;Person* p1 = &ps;Person* p2 = &st;p1->BuyTicket();p2->BuyTicket();Person& p3 = ps;Person& p4 = st;p3.BuyTicket();p4.BuyTicket();return 0;
}条件1的意思就是，当我们使用父类的指针/引用来调用虚函数时，才会形成多态。
当然我们也可以外部定义一个函数来调用该过程：
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* ptr)
{ptr->BuyTicket();
}int main()
{Person ps;Student st;Func(&ps);Func(&st);return 0;
}我们定义了一个函数Func，在Func函数中，我们可以使用父类的指针/引用来调用虚函数，这样能够使所有的多态都通过这一个函数来进行。
当然，在不满足多态的时候，会以继承的方式来进行，此时只与调用函数的指针/引用的类型有关。
2.4 多态场景的⼀个选择题
在这里，有一个关于多态的选择题，我们来看一下吧：
class A
{
public:virtual void func(int val = 1) { std::cout << "A->" << val << std::endl; }virtual void test() { func(); }
};
class B : public A
{
public:void func(int val = 0) { std::cout << "B->" << val << std::endl; }
};
int main(int argc, char* argv[])
{B* p = new B;p->test();return 0;
}virtual void test() { this->func(); }而对于this而言，this的类型应该是A*的，因为B类虽然继承了A类，函数调用的规则是先在子类中进行搜索，若是子类中有该函数则调用，否则在父类中搜索。所以此时p的类型转化为了A*，此时p就是一个指向子类对象的父类指针，那么在调用func函数的时候，满足多态。会调用B类中的func，但是虚函数的重写实际上是对虚函数的函数体进行重写，所以即使重写的虚函数有了新的缺省值，但实际调用的时候使用的还是父类虚函数中的缺省值。
那么结果就应该是B->1。
2.5 虚函数重写的⼀些其他问题
2.5.1 协变
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 Person
{
public:virtual Person* BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};class Student :public Person {
public:virtual Student* BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
};void Func(Person* ptr)
{ptr->BuyTicket();
}int main()
{Person ps;Student st;Func(&ps);Func(&st);return 0;
}若返回值不为类型的指针或引用这两种类型，则会编译报错
2.5.2 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vialtual修饰，派⽣类的析构函数就构成重写。
当多态存在时，会出现父类指针指向子类对象的情况，此时我们调用析构函数只能析构父类对象，缺不能析构子类对象，因为两个对象的指针都是父类类型。
此时就需要让析构函数也成为多态，这样就能够调用到子类的析构函数了。
class A {
public: virtual ~A();
};class B : public A {
public: virtual ~B();
};int main()
{A* p1 = new A;A* p2 = new B;delete p1;delete p2;return 0;
}2.6 override 和 final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，⽐如函数名写错参数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，只有在程序运⾏时没有得到预期结果才来debug会得不偿失，因此C++11提供了override，可以帮助⽤⼾检测是否重写。如果我们不想让派⽣类重写这个虚函数，那么可以⽤final去修饰。
class A {
public:virtual void Func(){}
};class B : public A {
public:virtual void Func()override{}
};class A {
public:virtual void Func()final{}
};class B : public A {
public:virtual void Func(){}
};在子类中使用override关键字可以帮助检验虚函数是否进行重写，在父类中使用final关键字可以不让子类重写这个虚函数。
2.7 重载/重写/隐藏的对⽐
3. 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。
class A {
public:virtual void func()=0{}
};class B : public A {
public:virtual void func(){cout << " " << endl;}
};对于纯虚函数，在父类没必要给出它的实现，因为包含纯虚函数的类是抽象类，抽象类是无法实例化出对象的，对于继承了抽象类的子类，若子类中没有对父类中纯虚函数的重写，则该子类也是一个抽象类。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。
4. 多态的原理
4.1 虚函数表指针
为了搞清多态的原理，在这里我们还要再做一道题：
class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}
protected:int _b = 1;char _ch = 'x';
};
int main()
{Base b;cout << sizeof(b) << endl;return 0;
}对于一个类来说，由于所以该类的对象都有相同的成员函数，而有不同的成员变量，所以该类的对象的大小于成员函数无关，但对于虚函数来说，在对象中除了成员变量，还会存储一个指针，这个指针叫做虚函数表指针(__vfptr放在对象的前⾯(注意有些平台可能会放到对象的最后⾯，这个跟平台有关)。⼀个含有虚函数的类中都⾄少都有⼀个虚函数表指针，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，虚函数表也简称虚表。
4.2 多态的原理
4.2.1 多态是如何实现的
4.2.2 动态绑定与静态绑定
1. 对不满⾜多态条件(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，也就是在运⾏时到指向对象的虚函数表中找到调⽤函数的地址，也就做动态绑定。
在运行时，编译器会检查是否构成多态，若构成多态，则调用多态的代码就会转为调用指针/引用下的对象的虚函数；若不构成多态，则就按当前指针/引用类型调用该函数。
4.2.3 虚函数表
1. 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是独⽴的。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，派⽣类⾃⼰的虚函数地址三个部分。5. 虚函数表本质是⼀个存虚函数指针的指针数组，⼀般情况这个数组最后⾯放了⼀个0x00000000标记。(这个C++并没有进⾏规定，各个编译器⾃⾏定义的，vs系列编译器会再后⾯放个0x00000000标记，g++系列编译不会放)6. 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，都是存在代码段的，只是虚函数的地址⼜存到了虚表中。7. 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，我们写下⾯的代码可以对⽐验证⼀下。vs下是存在代码段(常量区)
#include<iostream>
using namespace std;class Base {
public:virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }void func5() { cout << "Base::func5" << endl; }
protected:int a = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:// 重写基类的func1virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }virtual void func3() { cout << "Derive::func1" << endl; }void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
protected:int b = 2;
};int main()
{int i = 0;static int j = 1;int* p1 = new int;const char* p2 = "xxxxxxxx";printf("栈:%p\n", &i);printf("静态区:%p\n", &j);printf("堆:%p\n", p1);printf("常量区:%p\n", p2);Base b;Derive d;Base* p3 = &b;Derive* p4 = &d;printf("Person虚表地址:%p\n", *(int*)p3);printf("Student虚表地址:%p\n", *(int*)p4);printf("虚函数地址:%p\n", &Base::func1);printf("普通函数地址:%p\n", &Base::func5);return 0;
}
根据运行结果来看，在VS中虚函数表的地址应该是存在常量区的。
有关多态的内容到这里就结束了，我们下次再见。
