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前言
哈喽！各位好呀，今天我们继续分享C++的另一个内容，多态。那么多态又有哪些知识点在等着我们呢？又有哪些困难等着我们解决呢？多态的作用又有哪些呢？等等。那就带着这些疑问跟着小编的一起进入今天的学习吧！
一、多态是什么？
多态的概念：通俗的来讲就是多种形态，
但是多态又分为两种:
静态多态（编译时多态）：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，是因为他实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的。
动态多态（运动时多态）：具体来讲就是完成某个行为（函数），可以传不同的对象就可以完成不同的行为，以此达到多种形态。 比如动物的叫声这一行为（函数），传不同的对象它对应的叫声是不一样的，猫对象就是“喵喵”，狗对象就是“汪汪”等等。
二、多态的定义以及实现
1.多态的构成条件
多态是一个继承关系下的类对象，去调用同一函数，产生不同的行为 。比如student继承了person，person买票需要全价，student买票可以优惠。
可以先感受一下：
class Person
{
public:
virtual void BuyTickets()
{
cout << "买票-全价" << endl;
}
};
class Student:public Person
{
public:
virtual void BuyTickets()
{
cout << "买票-半价"<<endl;
}
};
void fun(Person*ptr)
{
//虽然这里都是Person指针ptr在调用BuyTickets()，
//但是只要满足多态的条件这里就跟ptr的类型无关，而是
//又ptr指向的对象来决定的。
ptr->BuyTickets();
}
int main()
{
Person p;
Student s;
fun(&p);
fun(&s);
return 0;
}
2.实现多态的两个必要条件
实现多态呢需要满足两个条件：
- 必须是基类的指针或者引用调用函数
因为只有基类的指针或者引用才能既指向基类对象又可以指向派生类对象，如果是传的派生类对象，那么会进行切片处理，如果是派生类的指针或者引用的话，那么就不能传基类对象，因为它不会进行切片处理。
- 被调用的函数必须是虚函数，并且完成虚函数的重写/覆盖
派生类必须对基类的虚函数完成重写/覆盖。只有重写和覆盖了，基类和派生类之间 才能又不同的函数，多态的不同形态效果才得以达到。
#include<iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:
//虚函数
virtual void BuyTickets()//如果不加virtual关键字，那么就不构成多态，
//那函数调用那块就要使用普通的逻辑了。
{
cout << "买票-全价" << endl;
}
};
class Student :public Person
{
public:
virtual void BuyTickets()//派生类重写了基类的虚函数
{
cout << "买票-半价" << endl;
}
};
//虽然这里都是Person指针ptr在调用BuyTickets()，
//但是只要满足多态的条件这里就跟ptr的类型无关，而是
//又ptr指向的对象来决定的。如果是基类对象就调用基类的
//虚函数，如果是派生类那就调用派生类虚函数
void fun(Person* ptr)
{
ptr->BuyTickets();//基类的指针调用虚函数
}
//void fun(Person& ptr)
//{
// ptr.BuyTickets(); //基类的引用调用虚函数
//}
void fun(Person ptr) //传的如果是对象
{
//如果传的是对象的话，首先不满足多态的条件，
//那么ptr就跟它的类型有关了，他是什么类型就调用
//什么类型里面的函数
ptr.BuyTickets(); //基类的对象调用虚函数
}
int main()
{
Person p;
Student s;
fun(&p);
fun(&s);
fun(p);
fun(s);
return 0;
}
3.虚函数的重写/覆盖
- 什么是虚函数
在类成员函数前面加上virtual关键字来修饰，那么我们就成这个成员函数就是虚函数，但是要注意非成员函数面前不能加virtual修饰
class Person
{
public:
//这个就是虚函数
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;}
}
- 虚函数的重写/覆盖
派生类跟基类有着一个完全相同的虚函数（包括了返回值，函数名，参数类型完全相同，简称三同），我们 就称派生类重写了基类的虚函数 。
class Person
{
public:
virtual void BuyTickets()
{
cout << "买票-全价" << endl;
}
};
class Student :public Person
{
public:
virtual void BuyTickets()//派生类重写了基类的虚函数
{
cout << "买票-半价" << endl;
}
};
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 BuyTickets()
{
cout << "买票-全价" << endl;
}
};
class Student :public Person
{
public:
void BuyTickets()//派生类重写了基类的虚函数
{
cout << "买票-半价" << endl;
}
};
4.多态场景的⼀个选择题
以下程序输出结果是什么（）
A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确
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;
}
这是一个很经典的关于多态的考题，看到题呢首先我们看看哪些地方是需要注意的。又有多少坑呢。我们先来分析一下。
首先p申请了一个B的对象，然后再调用test，那么现在问题就是test的参数是A* this还是B* this，有的人会认为它再A类中，那就是A* this，也有人认为这里是B对象调用它，而它又是被继承下来的， 所以这里应该是B* this。其实这里就是A*this，继承只是一个形象的说法，编译器再继承的时候并不会把被继承的类成员在继承类中放一份，只是它的搜索规则不同。 这里就好比之前我们学隐藏以一样，这里假设B中也有一份test，如果这里调用test的话，首先编译器会在B中进行搜索，如果有，那B就会把A中的test隐藏，如果B中没有才会到A中搜索。所以这里就是A*this。既然满足基类的指针调用虚函数，也同时满足虚函数的重写/覆盖（满足三同且函数前面可写virtual也可不写virtual）。所以这里构成多态。既然构成多态，那这里是B类型，那么就是调用B中的虚函数。所以选择D。那我们来运行一下。
运行的结果为什么跟我们不一样呢？其实这里还以隐藏了一个知识，那就是在 在多态的情况下，派生类中的虚函数是由基类中虚函数的声明和派生类中虚函数的函数体构成 。所以这里大家应该知道被继承下来的虚函数之前为什么可以不用加virtual了吧。它这里就是为了迷惑考生所以给了不同的参数值。所以它正常情况应该是这样的：
#include<iostream>
using namespace std;
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)
virtual void func(int val = 1)//基类虚函数的声明
{ std::cout << "B->" << val << std::endl; }//派生类虚函数的函数体
};
int main(int argc, char* argv[])
{
B* p = new B;
p->test();
return 0;
}
那如果我们这里不调用test，而是直接调用fun，那么他的结果又是什么呢？
#include<iostream>
using namespace std;
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->fun();
return 0;
}
先说结果吧，结果是：B->0。首先来看是否满足多态，其实这里不满足多态，那是因为p是派生类的指针调用，光从这一点就不满足多态了。所以这里p正常调用 B中的函数。
总结难点：
- 了解test的参数是A* this还是B* this
- 在虚函数重写哪里函数前没有加virtual，但是它是虚函数的重写
- 在多态的情况下，派生类中的虚函数是由基类中虚函数的声明和派生类中虚函数的函数体构成
5.虚函数重写的⼀些其他问题
- 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。
#include<iostream>
using namespace std;
class Person {
public:
virtual Person* BuyTicket()//可以返回基类的指针或者引用，也可以使用其他类的指针或者引用
{
cout << "买票-全价" << endl;
return nullptr;
}
};
class Student : public Person {
public:
virtual Student* BuyTicket() //可以返回派生类类的指针或者引用，也可以使用其他类的指针或者引用
{
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;
}
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{};
class B:public A
{};
class Person {
public:
virtual A* BuyTicket()//其他类的基类的指针或者引用
{
cout << "买票-全价" << endl;
return nullptr;
}
};
class Student : public Person {
public:
virtual B* BuyTicket() //其他类的派生类的指针或者引用
{
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。如果不加virtual就构成隐藏关系
那编译器为什么会对析构函数的名称做了特殊处理，其实就是为了解决一些内存泄漏问题，比如：
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
};
class B :public A
{
public :
~B()
{
cout << "~B->delete::B" << endl;
delete p;
}
protected :
int* p = new int[10];
};
int main()
{
A* p1 = new A;
A* p2 = new B;
delete p1 ;
delete p2;
}
我们分别申请了两个对象p1,p2,p1指向A，p2指向B。然后再释放掉p1和p2,释放p1，没有问题，但是在释放p2的时候我们希望调用B的析构函数，其实它调用的则是A的析构函数。如果没有调用p2的析构函数，那么B中的资源是没有释放掉的，那就会存在内存泄漏。那怎样解决呢，这里可以把他设计成多态就可以解决这个内存泄漏问题，设计多态的两个条件，基类的指针或者引用调用虚函数，虚函数的重写/覆盖，被调用函数必须是虚函数。这里p1和p2是指针的调用。但是虚函数的重写必须满足三同，但是这里函数名却不同。为了构成多态，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，这样函数名就相同了。
#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
virtual~A()
{
cout << "~A()" << endl;
}
};
class B :public A
{
public :
~B()
{
cout << "~B->delete::B" << endl;
delete p;
//~A();构成隐藏，要显示调用
}
protected :
int* p = new int[10];
};
int main()
{
A* p1 = new A;
A* p2 = new B;
delete p1 ;
delete p2;
}
这里的运行结果为什么最后还要调用一次基类的析构函数呢？那是派生类对象析构清理先调用派生类析构之后会自动调基类的析构。满足先子后父的顺序。
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。
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。
// error C3668: “Benz::Drive”: 包含重写说明符“override”的⽅法没有重写任何基类⽅法
class Car {
public:
virtual void Dirve()
{}
};
class Benz :public Car {
public:
virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
return 0;
}
// error C3248: “Car::Drive”: 声明为“final”的函数⽆法被“Benz::Drive”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;
}
7.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。
class Animals
{
public:
virtual void Cry() = 0//纯虚函数
{
//这里的函数体可实现可不实现，但是都没有意义
}
};
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
#include<iostream>
using namespace std;
class Animals
{
public:
virtual void Cry() = 0//纯虚函数
{
//这里的函数体可实现可不实现，但是都没有意义
}
};
class Cat:public Animals
{
public :
/*virtual void Cry()//想派生类实例化出对象，那派生类必须重写虚函数
{
cout << "喵喵" << endl;
}*/
};
int main()
{
Animals a;//因为Animals是一个包含纯虚函数的抽象类，所以实例化不出对象
Cat c; //在继承之后派生类中不重写虚函数时，那么派生类也是一个抽象类
return 0;
}
四、多态的原理
1.虚函数指针
下⾯编译为32位程序的运⾏结果是什么（）
A. 编译报错 B. 运⾏报错 C. 8 D. 12
#include<iostream>
using namespace std;
class Base
{
public :
virtual void data()
{
cout << "data" << endl;
}
protected :
int _b=1;
char _ch='x';
};
int main()
{
Base b;
cout << sizeof(b) << endl;
return 0;
}
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（也可以简单的理解成函数指针数组）。
#include<iostream>
using namespace std;
class Base
{
public :
//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
virtual void data1()
{
cout << "data" << endl;
}
virtual void data2()
{
cout << "data" << endl;
}
void data()
{
cout << "data" << endl;
}
protected :
int _b=1;
char _c='x';
};
int main()
{
Base b;
cout << sizeof(b) << endl;
return 0;
}
这里为什么我们会称虚函数表为函数指针数组？首先它是一个数组，一个存放指针的数组，最后它还是一个函数指针，所以才可以称为函数指针数组。
2.多态的原理
学了虚函数表之后我们可以更好的了解多态的原理了。先看代码：
#include<iostream>
using namespace std;
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;
}
如果把上面的监视窗口的信息画成图的形式的话，那就是下面这样。
多态的原理就是：
从底层来说，在Func(Person* ptr)中，始终是Person的对象，如果传的时派生类的对象的话，它会进行切片处理。当满足多态的条件时，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。就像上图一样。
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.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。
#include<iostream>
using namespace std;
class Base
{
public:
virtual void data1()
{
cout << "data" << endl;
}
protected:
int _b = 1;
char _c = 'x';
};
int main()
{
Base b1;
Base b2;
return 0;
}
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。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。
#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func1
virtual 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()
{
Base b;
Derive d;
return 0;
}
从上图监视窗口可以看出，fun1继承下来之后由于派生类重写了func1所以被派生类的func1虚函数地址覆盖。func2被继承下来，由于在派生类没有重写，所以虚函数地址不变，但是这里看不到func3虚函数的地址，由于vs监视窗口的原因，不过可以使用一些方法来看看func3的地址。从内存就可以看出来
4.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)
5.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。
6.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func1
virtual 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;
}
从上面的代码结果可以看出，Person和Student虚表地址和常量区的地址相近，由此可以推出虚表是存在常量区的。然后虚函数地址和普通函数地址相近，也可以得出虚函数和普通函数都是存在代码段的。
总结
今天就分享到这里吧，欢迎大家的探讨。我在评论区等着大家！拜拜咯。
