【C++】多态
多态
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多态
一. 多态的概念
- 通俗来说，多态就是多种形态。多态分为编译时多态（静态多态）和运行时多态（动态多态）。编译时多态（静态多态）主要就是
函数重载和函数模板，它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）。再比如，同样是动物叫的⼀个行为，传猫对象过去，就是"(>ω<)喵"，传狗对象过去，就是"汪汪"。
二. 多态的定义及实现
1. 多态的构成条件
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。
2. 实现多态两个必要条件
- 派生类重写基类的虚函数。
- 基类的 指针/引用 调用虚函数。
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派生类对象；第⼆：派生类必须对基类的虚函数重写/覆盖，重写或者覆盖了，派生类才能有不同的函数，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。注意非成员函数不能加virtual修饰。
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;}
};
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（参数的类型、位置、个数）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。
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "买票-全价" << endl;
}
};
class Student : public Person
{
public:
//void BuyTicket() 子类中要重写的成员函数可以不加virtual，但不建议
//函数名、函数参数、函数返回值相同构成虚函数的重写
virtual void BuyTicket()
{
cout << "买票-打折" << endl;
}
};
void Func(Person* ptr)
{
//基类的指针接收，满足多态
//虽然都是Person指针在调用BuyTicket
//但是跟ptr的类型没关系，而是有ptr指向的对象决定的
ptr->BuyTicket();
}
void Func(Person& ptr)
{
//基类的引用接收，满足多态
//虽然都是Person指针在调用BuyTicket
//但是跟ptr的类型没关系，而是有ptr指向的对象决定的
ptr.BuyTicket();
}
void Func(Person ptr)
{
//不是基类的指针/引用，不满足多态（看ptr的类型）
//由于用Person类接收，无论传入Student/Person的对象调用的都是Person中的BuyTicket函数
ptr.BuyTicket();
}
int main()
{
Person p;
Student s;
Func(&p); //买票-全价
Func(&s); //买票-打折
return 0;
}
- 多态调用(基类的指针/引用)：看指向对象的类型，指向谁则调用谁的虚函数。
- 普通调用(基类)：看基类，调用基类的虚函数。
5. 多态笔试题
class A
{
public:
virtual void func(int val = 1)
{
cout << "A->" << val << endl;
}
virtual void test()
{
func();
}
};
class B : public A
{
public:
void func(int val = 0)
{
cout << "B->" << val << endl;
}
};
int main()
{
B* p = new B;
p->test();
p->func();
return 0;
}
6. 协变(了解)
虚函数重写的一些其他问题：协变（也构成多态）
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，所以们了解一下即可。
class A {};
class B : public A {};
class Person
{
public:
virtual A* BuyTicket()
//或者virtual Person* BuyTicket()
{
cout << "买票-全价" << endl;
return nullptr;
}
};
class Student : public Person
{
public:
virtual B* BuyTicket()
//或者virtual Student* BuyTicket()
{
cout << "买票-打折" << endl;
return nullptr;
}
};
void Func(Person* ptr)
{
ptr->BuyTicket();
}
int main()
{
Person ps;
Student st;
Func(&ps);
Func(&st);
return 0;
}
7. 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。
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。
注意：析构函数是否建立设计为虚函数，这个问题面试中经常考察，一定要结合类似下面的样例才能讲清楚，为什么基类中的析构函数建议设计为虚函数。
class A
{
public:
virtual ~A()
{
cout << "~A()" << endl;
delete _p1;
}
protected:
int* _p1 = new int[10] {0};
int _num = 100;
};
class B : public A
{
public:
//析构函数本质都是destructor()，此时子类与父类构成多态
virtual ~B()
{
cout << "~B()" << endl;
delete _p2;
//子类的析构函数结束后，自动调用父类的析构函数，释放继承的_p1
}
protected:
int* _p2 = new int[10] {0};
//继承了父类的_num = 100, _p1指向不同的堆区空间
};
int main()
{
A* p1 = new A;
A* p2 = new B;
//p1->destructor() + operator delete
delete p1;
delete p2;
//若父类的析构函数不是虚函数，则不构成多态
//A* p2 = new B;
//delete p2; 只调用A的析构函数，释放子类中继承的父类的资源，而未清理子类中的资源，导致内存泄漏
return 0;
}
8. override 和 final 关键字
- 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。
class Car
{
public:
virtual void Dirve()
{}
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive() override //与父类的函数名不同，没有构成重写——>编译报错
{
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
- 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 Car
{
public:
virtual void Drive() final //若虚函数不想被重写，加上final
{}
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive() //无法重写父类中的虚函数Drive()——>编译报错
{
cout << "Benz-舒适" << endl;
}
};
- 在继承中若想实现一个类不能被继承，可以在定义类的后面加上 final，例如：class A final{};
class A final
{};
// A类加上了final，导致B类无法继承A类，编译报错
class B :public A
{};
9. 重载 / 重写(覆盖) / 重定义(隐藏) 的对比
注意：这个概念对比面试经常考。
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。
- 纯虚函数虽然不能实例化对象，但是可以定义指针和引用。
// 包含纯虚函数的类，叫做抽象类
class Animal
{
public:
virtual void talk() const = 0; // 纯虚函数
};
class Cat : public Animal
{
public:
virtual void talk() const override
{
cout << "喵喵~" << endl;
}
};
class Dog : public Animal
{
public:
virtual void talk() const override
{
cout << "旺旺~" << endl;
}
};
// 抽象类可以定义指针/引用，但是无法实例化对象
void AnimalTalk(const Animal& animal)
{
// 传入的是 const Animal* const &animal
animal.talk();
}
int main()
{
AnimalTalk(Cat());
AnimalTalk(Dog());
//AnimalTalk(Animal()); 编译报错：抽象类无法实例化对象
return 0;
}
四.多态的原理
1. 虚函数表指针
下面编译为32位程序的运行结果是什么？
class Base
{
public:
virtual void Func1() { cout << "Func1()" << endl; }
virtual void Func2() { cout << "Func2()" << endl; }
void Func3() { cout << "Func3()" << endl; }
protected:
int _b = 1;
char _ch = 'x';
};
int main()
{
Base b;
cout << sizeof(b) << endl; //12
return 0;
}
- 上面题目运行结果是12字节，除了 _b 和 _ch 成员，还多一个 __vfptr 放在对象的前面。对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针 (虚表指针)。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。
2. 多态的原理
1. 多态是如何实现的
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
protected:
string _name = "张三";
int _age = 18;
};
class Student : public Person
{
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
protected:
int _id = 1;
};
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
//但是构成多态，跟ptr没关系，而是由ptr指向的对象决定的
ptr->BuyTicket();
}
int main()
{
//多态不仅仅发生在基类和派生类之间
//多个派生类继承基类，重写虚函数后，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;
}
- 从底层的角度 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。
- 第一张图，ptr 指向的 Person 对象，调用的是 Person 的虚函数；第⼆张图，ptr 指向的 Student 对象，调用的是 Student 的虚函数。
2. 静态绑定 和 动态绑定
- 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 (静态多态)，例如：函数重载。
- 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 (动态多态)
- 从运行的效率来看，静态绑定效率要高一些。
class Person
{
public:
virtual void Func1() { cout << "Person::Func1()" << endl; }
virtual void Func2() { cout << "Person::Func2()" << endl; }
void Func3() { cout << "Person::Func3()" << endl; }
};
class Student : public Person
{
public:
virtual void Func1() { cout << "Student::Func1()" << endl; }
virtual void Func5() { cout << "Student::Func1()" << endl; }
};
void Func(Person* p)
{
p->Func1(); // 运行时绑定/动态绑定
p->Func3(); // 编译时绑定/静态绑定
}
int main()
{
Person p;
Student s;
Func(&p);
Func(&s);
return 0;
}
下面反汇编，观察汇编代码，可以非常清楚：
//动态绑定，运行时到 p 指向对象的虚函数表中确定调用函数地址
p->Func1();
00233D81 8B 45 08 mov eax,dword ptr [p]
00233D84 8B 10 mov edx,dword ptr [eax]
00233D86 8B F4 mov esi,esp
00233D88 8B 4D 08 mov ecx,dword ptr [p]
00233D8B 8B 02 mov eax,dword ptr [edx]
00233D8D FF D0 call eax
//静态绑定，在编译的时候，编译器直接确定调用函数地址(与 p 指向的对象无关，只有 p 的类型有关)
p->Func3();
00233D96 8B 4D 08 mov ecx,dword ptr [p]
00233D99 E8 26 DC FF FF call Person::Func3 (02319C4h)
3. 虚函数表
- 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。
class Base
{
public:
virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
void func3() { cout << "Base::func5" << endl; }
};
int main()
{
Base b1;
Base b2;
return 0;
}
```cpp
class Person
{
public:
virtual void func1() { cout << "Person::func1()" << endl; }
virtual void func2() { cout << "Person::func2()" << endl; }
void func5() { cout << "Person::func5()" << endl; }
};
class Student : public Person
{
public:
virtual void func1() { cout << "Student::func1()" << endl; }
virtual void func3() { cout << "Student::func3()" << endl; }
void func4() { cout << "Student::func4()" << endl; }
};
int main()
{
Person p;
Student s;
return 0;
}
派生类的虚函数表中包含，基类的虚函数地址，派生类重写的基类的虚函数地址，派生类自己的虚函数地址三个部分。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。
- 编译期间：基类 Person 生成虚表，派生类 Student 继承 Person 的虚表，虚函数 func1() 重写->进行地址的覆盖，添加新的虚函数 func3() 的地址。每一个类的虚表的形成是在编译期间完成的！
- 运行期间：在构造 Student 对象时，会将指向 Person 的虚函数表指针替换为指向 Student 的虚函数表指针。
- 虚函数调用：当通过基类指针调用虚函数时，会根据虚指针查找虚表中的地址，实现动态绑定。
这里 Student 中没有看到 func3 函数，这个 vs 监视窗口看不到，可以通过内存窗口查看：
- 虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，在 vs 下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，g++系列编译不会放)
- 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。
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(数据段):%p\n", &j);
printf("堆:%p\n", p1);
printf("常量区(代码段):%p\n", p2);
Person p;
Student s;
Person* p3 = &p;
Student* p4 = &s;
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", &Person::func1);
printf("普通函数地址:%p\n", &Person::func5);
return 0;
}
运行结果：
栈:00DFF774
静态区(数据段):00805010
堆:0123D470
常量区(代码段):00801EB4
Person虚表地址:00801F28
Student虚表地址:00801F60
虚函数地址:007F18D4
普通函数地址:007F18C0
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