C++面向对象三大特性之---多态

一、多态的概念

多态的概念：通俗来说，就是多种形态，具体点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。比如同样是买票的操作，学生买票就会打折，而普通的成人买票就是全款。

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。

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

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() { cout << "买票-全价" << endl;}
};

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() { cout << "买票-全价" << endl; }
};

class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};

void Func(Person& p)
{
  p.BuyTicket();
}

注意：派生类重写虚函数可以不加virtual关键字，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(基类一定要加virtual才能构成多态，否则就是隐藏了)

虚函数重写的两个例外：

1.协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)

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

2. 析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)

首先我们先看一个现象：

我们让两个Person类型的指针分别指向了Person对象和Student对象，然后delete这两个指针，delete除了会free掉指针外，还会调用类的析构函数，由于我们分别new了一个Person对象和一个Student对象，所以我们期望析构的时候应该一个调用Person的析构函数另一个调用Student的析构函数，但是结果我们发现调用的都是Person的析构函数，这样就会出现很大的问题，例如：如果Student类中存在资源申请的话就会造成内存泄露。

造成上述结果的根本原因是因为每个类的析构函数名字都不同，不满足多态的构成条件，所以不能实现指向谁就调用谁的析构函数，解决这个问题的方法就是在析构函数前加一个virtual，并且编译器会默认将所有析构函数的名字统一看做destructor,这样就构成多态的条件了。

2.4 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。

1.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。

2.final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

三. 抽象类

3.1 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。

接下来我看一道坑人的题目：

这个题目的答案是B：

【解释】：

从代码我们可以看出，子类重写了父类的func函数，继承了父类的test函数，而test函数隐藏的this指针是A*类型的，但是p指针却是子类类型的，相当于将子类类型的指针传给了this，满足多态的构成条件，此时会指向子类的func函数体，但是由于虚函数的继承是一种接口继承，虚函数重写仅重写了实现，val的值仍然是1，所以答案为B->1

四.多态的原理

4.1虚函数表

// 这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？
class Base {
public:
	virtual void Func1() { cout << "Func1()" << endl; }
	int _a;
};

有些人认为这个类中只有一个整形成员变量，大小应该为4，其实这个类的大小应该为8，因为其内部还存在一个虚函数表指针，我们通过监视窗口和内存来验证一下：

除了_b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，因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表。

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() { cout << "Derive::Func1()" << endl; }
private:
	int _d = 2;
};

派生类对象由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员，包括虚表指针，另一部分是自己的成员。
基类对象和派生类对象虚表是不一样的，这里我们发现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：a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中 b.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 c.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。
虚表存的是虚函数指针，不是虚函数，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。那么虚表存在哪的呢？是存在代码段的（常量区）

4.2多态的原理

class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};

class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};

void Func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}

int main() {
	Person Mike;
	Func(Mike);

	Student Johnson;
	Func(Johnson);
	return 0;
}

在student类重写了Person类中的BuyTicket函数，我们可以看到Mike中的虚表指针指向了Person::BuyTicket函数，而Johnson中的虚表指针指向了Student::BuyTicket函数，当Person对象调用时，就执行Person中的BuyTicket函数，当Student对象调用时，就执行Student中的BuyTicket函数

补充：

满足多态的函数调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象的中取找的,指向哪个对象就执行谁
不满足多态的函数调用在编译时就确认好了。

五.单继承和多继承关系的虚函数表

5.1 单继承中的虚函数表

观察下图中的监视窗口中我们发现看不见func3和func4。这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数，也可以认为是他的一个小bug。那么我们如何查看d的虚表呢？下面我们使用代码打印出虚表中的函数。

typedef void(*VFPTR) (); 
void PrintVTable(VFPTR vTable[]) {
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i) {
		printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
		VFPTR f = vTable[i];
		f();
	}    cout << endl;
}

int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	//1.先取b的地址，强转成一个int * 的指针 
	//2.再解引用取值，就取到了b对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针
	//3.再强转成VFPTR*，因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。
	VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);   
	PrintVTable(vTabled);
	return 0;
}

可以看出，子类重写了func1函数，将虚表中的func1进行了覆盖，继承了父类的func2函数，子类自己的虚函数按申明顺序依次填入虚表中

5.2 多继承中的虚函数表

从监视窗口我们可以看出，d对象存在两个虚表，这是因为Derive继承了两个父类，也继承了两个父类的虚表，由于监视窗口不全，我们在通过代码打印一下这两个虚表

int main()
{
	Derive d;
    //虚表的前四个字节
	VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);   
	PrintVTable(vTabled);
    
    //跳过Base1，找第二个虚表
	VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1)));   
	PrintVTable(vTableb2);
	return 0;
}