C++笔记-多态(包含虚函数，纯虚函数和虚函数表等)

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)。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”(>^w^<)喵“，传狗对象过去，就是"汪汪"。

2.多态的定义及实现

2.1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。

2.1.1实现多态还有两个必须重要条件

1.必须是基类的指针或者引用调用虚函数

2.被调用的函数必须是虚函数，并且完成了虚函数重写

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。

这里提到了新名词：虚函数，我先演示一下多态的基本使用，下面再详细讲虚函数。

这里就是实现了多态，我们可以看到虽然func的参数是Person类型的引用，但是结果却调用了子类中的虚函数。

里面的原因就如func中所写的那样，跟ptr没关系，和ptr所指向的对象有关。

指针和引用差不多，这里我就不演示了。

注意这两个条件缺一不可：

这里就是不符合第一个条件，就没有构成多态，此时就和ptr有关了，调用BuyTicket函数就看的是调用的类型，而ptr类型是Person，故只会调用Person中的函数。

2.1.2虚函数

类成员函数前面加virtual修饰，那么这个成员函数就称为虚函数。注意非成员函数不能加virtual修饰。

上面例子中的BuyTicket函数就是虚函数。

2.1.3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、参数类型完全相同)，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。

上面子类中的BuyTicket就是对父类的重写，这里注意：重写/覆盖的是函数的实现部分，就是括号里面的内容。

接着上面不符合第二个条件：

这里就不符合第二个条件了，此时的BuyTicket函数就不是虚函数，构不成多态，故还是调用父类的函数。

这种也是不构成多态的，virtual只能子类隐藏，父类是不能隐藏的。

讲到这我们来看一道题：

问：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

大家可以思考一下这个问题的答案。

答案选择B，这里可能很多人都不理解，这里面有俩个坑。

第一个就判断这里到底是不是多态：我们可以看到，此时创建了一个子类对象，通过子类对象去调用test函数。这里要注意继承，并不是把父类的函数拷贝到子类，在调用时，先在子类查找，找不到才会去父类去查找。

而这个坑的难点就是test函数中的this指针到底是A*呢，还是B*呢？

遵循上面的原则，我们在子类没有找到test函数，接着去父类找，找到了，既然要调用父类的test函数，那this指针自然而然就是A*，那既然是基类的指针来调用虚函数，那么就构成多态。

来到第二个坑：这也是为什么这道题选B的原因。

既然上面构成多态了，那么指针指向的对象是子类对象，就该调用子类里面的func函数，正常来说应该是B->0，但是我们上面写了，虚函数的重载/覆盖只是针对函数实现部分，所以只是把实现部分的func给重写了，那么既然只针对实现部分，那么参数部分的val就不会发生变化，就还是默认的缺省值1.

这里很多人出错就是被这个缺省值给误导了，所以我们要牢记虚函数重载/覆盖只针对函数实现部分。

有人会有疑惑：那缺省值不是不一样吗，怎么会构成虚函数重写呢？
这个问题我们要看上面虚函数重写的概念，是函数名，返回值类型和参数类型皆相同，里面是不包含缺省值的，缺省值不同不影响。

2.1.4虚函数重写的一些其他问题

1.协变

派生类重写基类虚函数是，与积累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。

以上面为例，将返回类型改成对应的指针或者引用即为协变，当然斜边也不只一种方式：

也可以是其他类的指针或者引用做返回值，但要求是父类和子类的指针或引用。

协变的实际意义不大，这里了解一下即可。

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。

由上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。

原因就如上面所言，在继承关系中析构函数的名称会被统一处理，不加virtual就构不成多态，就只能根据类型去调用析构函数，所以尽量在析构函数前面加上virtual构成多态，避免内存泄漏。

2.1.5override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，比如上面由于函数名写错导致无法构成重写，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。

2.1.6重载/重写/隐藏的对比

我们学到这里这三个概念会有人搞混了，重载和其他两个可以很好区分开来，重载是在同一作用域下，而重写和隐藏都是在不同作用域下。

而隐藏和重写，这两个而言，隐藏范围会更大一些，毕竟同名成员变量也会构成隐藏，重写只针对成员函数，并且要求三同(函数名，返回值类型和参数类型)，隐藏只要函数名相同即可。

3.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。

以上面为例，这就是虚函数的基本使用。可以看出，此时Car中的Drive函数就是纯虚函数，而含有纯虚函数的类无法实例化出对象。

而如果子类没有重写纯虚函数，也会变成抽象类：

同样无法实例化出对象。

无法实例化处对象就意味着很多功能就无法实现，所以如果父类中有纯虚函数，子类就要重写纯虚函数。

4.多态的原理

4.1虚函数表指针

大家可以思考一下在32位下b是多大。

可能有人觉得是8，因为根据对其原则先是int，接着是char的话确实是8，但其实答案是12。

为什么是12呢？

这就与虚函数表指针有关：

通过调试可以发现，再b中还含有一个叫_vfptr的变量，里面存储的是一个地址，这个地址指向虚函数表。

而指针我们都知道，再32位下是4个字节，64位下是8个字节，我在测试的时候是在32位环境下，所以_vfptr，int和char三个加起来，根据对其原则，最后得出是12。

用图来表示就如上图所示，虚函数表这里先简单提一下，下面会详细讲。

虚函数表又叫虚函数指针数组或者虚表，里面存的就是虚函数的指针。

4.2.1多态是如何实现的

依旧以上面的例子来说明，我们上面讲了虚函数表指针，现在就可以来探究多态到底是如何实现的。

通过重载可以发现，三个变量中的_vfptr所包涵的地址都不一样，这是因为重写导致的，重写过后，不同类型的变量中的_vfptr就指向不同的虚函数表，不同的虚函数表中指向的也是不同的虚函数。

而多态的原理就是如此，上面的例子中通过ptr来调用相应对象中_vfptr存的虚函数表的地址，再通过虚函数表中找到相应的虚函数，调用相应的虚函数，完成多态的操作。

注意，这个_vfptr是不能直接访问的：

会直接显示没有这个成员。

并且虚函数表存的是当前类中的所有虚函数，不只有一个：

可以看出里面不仅存了BuyTicket函数，还存了func1函数。

4.2.2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。

动态绑定就如上图所示，满足多态条件，运行时到虚函数表中找到对应虚函数进行调用。

静态绑定就如上图所示，不满足多态条件，编译时通过调用者的类型，确定函数地址进行调用。

4.2.3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。
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。
4.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。
5.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)
6.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。

7.虚函数表在哪儿呢？这个问题并没有标准答案，c++并没有规定。

有的上面已经涉及到，这里就不过多赘述。

第二条我们上面展示的调试中就演示了，子类本身是没有_vfptr的，只是继承了父类的。

这里主要就是讲一下如何找到虚函数表在哪儿：