1.认识多态
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；学⽣买票是优惠买票(5折或75折)；军⼈买票时是优先买票。
2.多态的定义及实现
2.1实现多态的重要条件
• 必须指针或者引⽤调⽤虚函数
• 被调⽤的函数必须是虚函数
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又指向基类；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，并且派生类与派生类之间也可以实现多态
class Parent
{
public:void virtual Show(){cout << "基类" << endl;}
};class Child : public Parent
{
public:void virtual Show(){cout << "派生类" << endl;}
};//引用
//void Display(Parent& p)
//{
// p.Show();
//}
//
//指针
void Display(Parent* p)
{p->Show();
}int main()
{Parent _parent;Child _child;//引用//Display(_parent);//Display(_child);//指针Display(&_parent);Display(&_child);return 0;
}2.2 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
2.2.1 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)，参数列表的数据类型相同即可，参数名可以不同，则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。并且，只要基类中定义了虚函数，所有派生类都可以不写virtual，但是不建议这样
class Parent
{
public:void virtual Show(){cout << "基类" << endl;}
};class Child : public Parent
{
public:void virtual Show(){cout << "派生类" << endl;}
};//引用
//void Display(Parent& p)
//{
// p.Show();
//}
//
//指针
void Display(Parent* p)
{p->Show();
}int main()
{Parent _parent;Child _child;//引用//Display(_parent);//Display(_child);//指针Display(&_parent);Display(&_child);return 0;
}2.2.2关于多态的面试难题
这里引出一个新的概念就是，多态重写时绝不重新定义继承而来的缺省值
本题的答案是：B->1
解析：这里p->test()就已经构成了多态，也就是说B类中的fun()已经重写了A中的fun()函数，那么此时调用的结果就是B->，那么之后的值如何判断呢，根据我们上面引出的概念，多态重写时绝不重新定义继承而来的缺省值，也就是说此时的val仍然是A类中的缺省值1，所以最后的结果就是B->1
这里还有一个知识点就是当使用p->fun()时由于传的指针是派生类的指针，于是不构成多态，所以直接调用的是B类中的fun()函数，最后结果是B->0
//面试难题
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();//p->fun();return 0;
}
2.2.3常见的虚函数问题
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 A {};
class B : public A {};class Person {public:virtual A* BuyTicket(){cout << "买票-全价" << endl;return nullptr;}
};class Student : public Person {public:virtual B* 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;
}
析构函数重写
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：这个问题⾯试中经常考察，⼤家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
//析构的重写
class A
{
public:virtual ~A(){cout << "~A()" << endl;}
};class B :public A
{
public://构成重写~B(){cout << "~B()" << endl;}
private:int* b = new int[10];
};int main()
{//传的均是基类的指针，构成多态A* p1 = new A;A* p2 = new B;//基类传递基类的析构delete p1;//子类则传递子类的析构，最后析构完子类再析构父类delete p2;return 0;
}
2.2.4override与final关键字
override：检查是否重写
//override检查是否重写
class Car {public:virtual void Dirve(){}
};class Benz :public Car {public:virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};int main()
{return 0;
}final：避免基类的虚函数被重写
class Car
{
public:virtual void Drive() final {}
};class Benz :public Car
{
public:virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};int main()
{return 0;
}
2.2.5重载/重写/隐藏的对比
3.纯虚函数与抽象类
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
//纯虚函数与抽象类
class Car{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;}
};int main()
{// 编译报错：error C2259: “Car”: ⽆法实例化抽象类 //Car car;//虽然抽象类无法实例化对象但是可以使用指针调用子类的虚函数Car* pBenz = new Benz;pBenz->Drive();Car* pBMW = new BMW;pBMW->Drive();return 0;
}
4.多态的原理
4.1虚函数表指针
虚函数表的实质就是一个函数指针数组，也就是一个数组，里面存放的都是虚函数的指针
下列代码在32(x86)为环境下的运行结果是： 12(byte)
解析：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，这时根据内存对齐原则指针类型占4字节，32位下最大对齐数为8，取二者较小值也就是4，整数类型占4字节，char类型占1字节，内存对齐4字节后总的内存是4+4+4=12byte
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;
}
4.2多态的底层实现
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。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
在使用时，指向哪个对象就调用该对象，运行时到指向对象的虚函数表找到对应虚函数的地址后访问改地址就完成了一次调用
//多态的底层实现
class Person {public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
protected:string _name;
};class Student : public Person {public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
protected:int _id;
};class Soldier : public Person {public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-优先" << endl; }
protected: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;
}
4.3动态绑定与静态绑定
• 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
• 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
// ptr是指针+BuyTicket是虚函数满⾜多态条件。 // 这⾥就是动态绑定，编译在运⾏时到ptr指向对象的虚函数表中确定调⽤函数地址 ptr->BuyTicket();00EF2001 mov eax,dword ptr [ptr] 00EF2004 mov edx,dword ptr [eax] 00EF2006 mov esi,esp 00EF2008 mov ecx,dword ptr [ptr] 00EF200B mov eax,dword ptr [edx] 00EF200D call eax// BuyTicket不是虚函数，不满⾜多态条件。 // 这⾥就是静态绑定，编译器直接确定调⽤函数地址 ptr->BuyTicket();00EA2C91 mov ecx,dword ptr [ptr] 00EA2C94 call Student::Student (0EA153Ch)
4.4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。同一类型的对象虚函数表相同
• 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，因为派生类重写了虚函数，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。
• 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
• 派⽣类的虚函数表中包含，基类的虚函数地址，派⽣类重写的虚函数地址，派⽣类⾃⼰的虚函数地址三个部分。
• 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，vs下是存在代码段(常量区)
