『C++成长记』多态
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目录
2.4.2 析构函数的重写（基类与派生类析构函数的名字不同）
一、多态的概念
多态的概念：通俗来说，就是多种形态，具体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。例如：买票这个行为，当普通人买票时，是全价买票；学生买票时，是半价买票；军人买票时，是优先买票。同样动作，不同对象买票的价钱不一样，这就是一种多态行为。
二、多态的定义及实现
📒2.1多态的构成条件
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。那么在继承中要构成多态还有两个条件：
- 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
- 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
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket() const//虚函数
{
cout << "买全价票" << endl;
}
};
class Student : public Person
{
public:
virtual void BuyTicket() const//虚函数
{
cout << "买半价票" << endl;
}
};
void Func(const Person& people)//基类的引用
{
people.BuyTicket();
}
int main()
{
Person Mike;//普通人
Func(Mike);
Student Johnson;//学生
Func(Johnson);
return 0;
}
小Tips：多态调用看的是基类指针或引用指向的对象，基类的指针或引用如果指向一个基类对象，那就调用基类的成员函数，如果指向派生类对象就调用派生类的成员函数。
📒2.2 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() const
{
cout << "买全价票" << endl;
}
};
小Tips：只能是类的成员函数才能变成虚函数，在全局函数前面是不能加 virtual 的。
📒2.3 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。
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket() const//虚函数
{
cout << "买全价票" << endl;
}
};
class Student : public Person
{
public:
virtual void BuyTicket() const//虚函数
{
cout << "买半价票" << endl;
}
};
小Tips：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。
📒2.4 虚函数重写的两个例外
2.4.1 协变（基类与派生类虚函数返回值类型不同）
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（也可以是其他继承体系中的基类）对象的指针或者引用，派生类虚函数返回派生类（也可以是其他继承体系中的派生类）对象的指针或者引用，这就称作协变。返回值类型必须同时是指针或者引用，不能一个是指针，一个是引用。
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;
}
};
2.4.2 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，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。
class Person
{
public:
virtual ~Person()
{
cout << "~Person()" << endl;
}
};
class Student : public Person
{
public:
virtual ~Student()
{
cout << "~Student()" << endl;
delete[] pi;
pi = nullptr;
}
protect:
int* pi = new int[10];
};
void Test()
{
Person* p1 = new Person;
Person* p2 = new Student;
delete p1;
delete p2;
}小Tips：编译器之所以将所有类的析构函数都统一处理成 destructor，是为了让父子类的析构函数构成重写，只有派生类 Student 的析构函数重写了 Person 的析构函数，上面代码中 delete 对象，才能构成多态。
📒2.5 C++11 override 和 final
C++对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重载，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和final两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。
- 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;
}
};
小Tips：一个类不想被继承，C++98 中的方法：将该类的构造函数私有，私有在子类中是不可见的，而派生类的构造函数又必须调用父类的构造函数。但是这种做法会导致创建该类对象时也无法调用构造函数了，私有在类外面不可见但是在类里面是可见的，所以此时可以在该类里面写一个静态成员函数专门用来创建对象。在 C++11 引入 final 关键字后，对于一个类如果不想让它被继承，我们可以在该类的后面加上 final 关键字进行修饰。
- 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;
}
};
三、抽象类
📒3.1 抽象类的概念
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。
📒3.2 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。
四、多态的原理
📒4.1虚函数表
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
int main()
{
cout << sizeof(Base) << endl;
return 0;
}
小Tips：通过监视窗口可以看到， Base 对象除了 _b 成员，还多了一个 _vfptr 放在对象成员变量的前面。 _vfptr 本质上是一个指针，这个指针我们叫做虚函数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，因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表。
📒4.2 派生类对象中的虚函数表
// 1.增加一个派生类Derive去继承Base
// 2.Derive中重写Func1
// 3.Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3
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()
{}
private:
int _d = 2;
};
int main()
{
Base b;
Derive d;
return 0;
}
通过监视窗口我们发现了以下几个问题：
- 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，虚表指针就是这部分成员中的一个，另一部分是自己的成员。
- 基类 b对象和派生类 d 对象虚表是不一样的，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。
- 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。
- 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nullptr。
总结一下派生类的虚表生成：
- 先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中
- 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
- 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
小Tips：这里还有一个比较容易混淆的问题：虚函数存在哪？虚表存在哪？很多小伙伴会觉得：虚函数存在虚表，虚表存在对象中，注意这种回答是错的。这里再次强调：虚表存的是虚函数的地址，不是虚函数，虚函数和普通的成员函数一样，都是存在代码段的，只是它的地址又存到了虚表中。另外，对象中存的不是虚表，存的是虚表的地址。同一个程序中，同一类型的对象共用一个虚表。
虚表存储位置的验证
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Base::Func1()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
virtual void Func1()
{}
private:
int _d = 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;
printf("Base虚表地址:%p\n", *((int*)&b));
printf("Derive虚表地址:%p\n", *((int*)&d));
}
小tips：如何能取到虚表的地址呢？通过监视窗口我们可以看到，虚表的地址永远是存储在对象的前四个字节，所以这里我们先取到对象的地址，然后将其强转为 int* 类型，一个 int* 的指针就能够访问到四个字节，再对 int* 解引用，这样就能访问到内存空间中前四个字节的数据，这样就能取道虚表的地址。通过打印结果我们可以看出，虚表的地址和常量区（代码段）的地址最为接近，因此我们可以大胆的猜测，虚表就是存储在常量区（代码段）的。
📒4.3 多态的原理
- 观察上图的红色箭头我们看到，p是指向mike对象时，p->BuyTicket在mike的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket。
- 观察上图的蓝色箭头我们看到，p是指向johnson对象时，p->BuyTicket在johson的虚表中找到虚函数是Student::BuyTicket。
这样就实现了不同对象去完成同一行为时，展现出不同的形态。其次，通过对汇编代码的分析，可以发现，满足多态的函数调用，不是在编译时确定的，是在运行起来以后到对象中取的。而不满足多态的函数调用则是在编译时就确定好了。
📒4.4动态绑定与静态绑定
-
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。
-
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。
🎁结语：
本次的内容到这里就结束啦。希望大家阅读完可以有所收获，同时也感谢各位读者三连支持。文章有问题可以在评论区留言，博主一定认真认真修改，以后写出更好的文章。你们的支持就是博主最大的动力。
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