【C++笔记】C++三大特性之多态

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前言

哈喽，各位小伙伴大家好!上期我们讲了C++三大特性之继承。今天我们来讲一下C++三大特性之多态。话不多说，我们进入正题！向大厂冲锋

一.多态

1.1 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)。

• 静态多态

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。

• 动态多态

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"。

1.2 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。注意非成员函数不能加virtual修饰。

class Person
{
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;}
};

1.3 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。

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，不过在考试选择题中，经常会故意买这个坑，让你判断是否构成多态。

可以理解为派生类把父类的virtual属性继承下来了

但是父类必须加

我们来做一下题目。

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;
}

这道题需要对继承需要深厚的理解。

那如果是这样呢？

注意只有满足多态才有派生类虚函数的重写==基类的声明+派生类重写的实现。

1.4 多态的定义及实现

• 基于继承
  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。
• 虚函数
  必须是基类的指针或者引用调用虚函数
  但是这里父子类的关系并不是那么绝对
  

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

• 虚函数重写
  被调用的函数必须是虚函数，并且完成了虚函数重写/覆盖。

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)
{// 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;Func(&ps);Func(&st);return 0;
}

这里我们传Person的指针调用Person的函数，传Stuent的指针调用Student的函数。

传引用也可以构成多态。

但是如果不满足多态只看类型

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，重写或者覆盖了，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。

如果是派生类的指针或引用，那父类就无法传递。
因为子类可以切片给父类，父类无法传递个子类。

同时多个类也可以实现多态

class Animal
{
public:virtual void talk() const{}
};
class Dog : public Animal
{
public:virtual void talk() const{std::cout << "汪汪" << std::endl;}
};
class Cat : public Animal
{
public:virtual void talk() const{std::cout << "(>^ω^<)喵" << std::endl;}
};
void letsHear(const Animal& animal)
{animal.talk();
}

二.虚函数重写的⼀些其他问题

2.1 协变(了解)

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。协变的实际意义并不大，所以我们了解⼀下即可。

返回值不一定是自己的父子类，也可以是其他的的父子类。


但是返回值的类必须满足父子类关系。

2.2 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。

class A
{
public:virtual ~A(){cout << "~A()" << endl;}
};
class B : public A {
public:~B(){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()
{A* p1 = new A;A* p2 = new B;delete p1;delete p2;return 0;
}

这里我们希望p2调用的是B的析构函数，也就是说希望构成多态。指向谁调用谁的析构。否则就会存在内存泄漏。

这里我们把A的virtual去掉就不会构成多态
我们就会发现我们申请A和B却释放了两次A。
因为这里没有构成多态。

那为了解决这个问题。C++祖师爷就把继承后后的析构函数的名称统⼀处理成destructor。这样就父子类的析构函数同名，都无参，无返回值，同时子类把父类的virtual属性继承下来了所以就会构成虚函数重写。就可以构成多态来解决这种场景下的问题。

2.3override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，可以帮助用户检测是否重写。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。

这里我们把函数名写错了但是编译没报错。

加上override就可以报错提示我们没有完成重写。

如果不想派生类去重写就可以加上final修饰.

2.4 重载/重写/隐藏的对比

注意：这个概念对比经常考，⼤家得理解记忆⼀下。

三.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。

class Car
{
public:virtual void Drive() = 0;//纯虚函数
};
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;}
};

抽象类无法实例化。

如果抽象类被继承后不重写纯虚函数，派生类也是抽象类。也无法实例化。

重写后就不是派生类就不是抽象类可以实例化。

四. 多态的原理

4.1 虚函数表指针

我们先来做一道题。

按理说应该是8字节。

上⾯题目运行结果12bytes，除了_b和_ch成员，还多⼀个__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)，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)。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。


所以这里是12个字节大小。

4.2多态是如何实现的

这里有三个类，每个类都会有一个自己的虚表。每个虚表存指向自己虚函数的指针。Person存Person的虚函数，Student存Student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()
{// 其次多态不仅仅发⽣在派⽣类对象之间，多个派⽣类继承基类，重写虚函数后// 多态也会发⽣在多个派⽣类之间。Person ps;Student st;Soldier sr;Func(&ps);Func(&st);Func(&sr);return 0;
}

从底层的⻆度Func函数中ptr->BuyTicket()，是如何作为ptr指向Person对象调⽤Person::BuyTicket，ptr指向Student对象调⽤Student::BuyTicket的呢？通过下图我们可以看到，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的地址，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。

4.3动态绑定与静态绑定

• 满足多态
  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。

• 不满足多态
  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。
  

五.虚函数表

• 同类型共用虚表
  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。
  
  

• 一个虚函数表指针
  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。

• 虚函数地址覆盖
  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。
  
  覆盖的意义还是队列满足多态。找到对应对象的虚函数地址。

• 派生类的虚函数表
  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三个部分。
  

• 标记
  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)
  

• 虚函数的存储
  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。

-虚函数表的存储
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)

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;
}

我们发现虚表地址和常量区的地址最接近。所以vs下虚表存储在常量区。

后言

这就是C++三大特性之多态。大家自己好好消化！今天就分享到这！感谢各位的耐心垂阅！咱们下期见！拜拜~