C++中的多态（详细讲解）

一、多态的概念

1、多态的概念

二、多态的定义以及实现

1、多态的构成条件

2、虚函数

3、虚函数的重写

1）虚函数重写的理解

2）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)

2. 析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)

4、关键字override和final

1. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

2. 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。

编辑 5、重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

三、抽象类

1、概念

2、接口继承和实现继承

四、多态的原理

1、虚函数表

2、多态的原理

五、单继承和多继承关系中的虚函数表

1、单继承中的虚函数表

2 多继承中的虚函数表

编辑 3. 菱形继承、菱形虚拟继承

一、多态的概念

1、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

举个栗子：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，是半价买票；军人买票时是优先买票。

再举个栗子： 最近为了争夺在线支付市场，支付宝年底经常会做诱人的扫红包-支付-给奖励金的活动。那么大家想想为什么有人扫的红包又大又新鲜8块、10块...，而有人扫的红包都是1毛，5 毛....。其实这背后也是一个多态行为。支付宝首先会分析你的账户数据，比如你是新用户、比如你没有经常支付宝支付等等，那么你需要被鼓励使用支付宝，那么就你扫码金额 =random()%99；比如你经常使用支付宝支付或者支付宝账户中常年没钱，那么就不需要太鼓励你去使用支付宝，那么就你扫码金额 = random()%1；总结一下：同样是扫码动作，不同的用户扫得到的不一样的红包，这也是一种多态行为。ps：支付宝红包问题纯属瞎编，大家仅供娱乐。

二、多态的定义以及实现

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

上图我们可以看出，我们Student类继承了Person类，并对Person类中的虚函数进行了重写，最后调用Func函数打印时，Func函数中的参数是Person类，但我们可以通过Person类的指针或者引用去调用Student类中的虚函数，最终的打印结果是：

我们的基类和派生类都做出了不同的动作

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;}
};

3、虚函数的重写

1）虚函数重写的理解

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。

#include<iostream>
using namespace std;
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; }
};

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。

例子：

void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }

2）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)

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。（了解）

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;}
};

上述代码我们可以看到，我们的基类与派生类中的虚函数的返回值并不相同，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，这时候也是重写

注意：只要是有继承关系的基类和派生类都可以作为该虚函数的返回类型，我们上面另外写了A、B两个类，B继承A，就可以用在Person类和Student类里，

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，看起来违背了重写的规则，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; }
};
// 只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数，下面的delete对象调用析构函
// 数，才能构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确的调用析构函数。
int main()
{
 Person* p1 = new Person;
 Person* p2 = new Student;
 delete p1;
 delete p2;
 return 0;
}

虚构函数是虚函数时：

我们创建两个Person类型的指针，一个指向Person类，一个指向Student类，调用析构函数之后运行：

毕竟派生类中含有基类的对象，所以调用Student类析构函数时，也会调用基类Person类的析构函数，先子后父

虚构函数不是虚函数时：

我们把析构函数的virtual关键字去掉：

class Person {
public:
	~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
    ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};

运行结果：

我们发现，这时候不会再调用派生类的析构函数。

这个点一定要注意！！！很容易考到

只有多态的情况下，才会去调用指针指向的类型的析构函数，如果不符合多态，那么该指针是什么类型就调用什么类型的析构函数

那么此时会造成什么后果呢？我们在派生类Student类中添加一个开辟了空间的指针

class Student : public Person {
public:
	~Student()
	{ 
		delete[] arr;
		cout << "~Student()" << endl;
	}
private:
	int* arr = new int[10];
};

如果我们的析构函数不是虚函数，就不会构成重写，那么就不会构成多态，也就不会调用它的析构函数，那么此时就会导致内存泄漏！

注意点：

虚函数的重写，重写的是函数体的实现，函数的结构部分(函数名参数返回值等)用的是父类的
多态调用：指向谁，调用谁

4、关键字override和final

从上面可以看出，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. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

final关键字加在基类中

class Car
{
public:
 virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
 virtual void Drive() {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};

报错：

其实final还有另外一个作用，可以直接修饰类，表明这个类不可以被继承，此时这个类叫最终类

此时也会报错，不允许将“final”类类型用作基类

2. 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。

override关键字加在派生类

class Car{
public:
 virtual void Drive(){}
};
class Benz :public Car {
public:
 virtual void Drive() override {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};

上面这个函数对虚函数进行了重写，就不会报错

那如果我们把基类的virtual关键字去掉，就会报错，没有进行重写

5、重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

我们可以把重写和隐藏看作一个包含关系

三、抽象类

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。

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

1、虚函数表

我们先来看下面这段代码,问打印结果是多少？

class Base
{
public:
 virtual void Func1()
 {
 cout << "Func1()" << endl;
 }
private:
 int _b = 1;
};
int main()
{
  Base b;
  cout<<sizeof(b)<<endl;
  return 0;
}

通过结果我们发现b对象是8byte(注意我们这里是x86，所以地址是四个字节，如果是x64，那么地址会是8个字节)，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，。那么派生类中这个表放了些什么呢？我们接着往下分析

通过监视窗口我们可以看到虚函数指针：

我们再通过内存窗口进行观察：

我们由b对象的地址可以找到虚函数表的地址，又可以通过虚函数表的地址找到Func1函数的地址

针对上面的代码我们做出以下改造：

我们增加一个派生类Derive去继承Base
Derive中重写Func1
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()
 {
cout << "Derive::Func1()" << endl;
 }
private:
 int _d = 2;
};
int main()
{
 Base b;
 Derive d;
 return 0;
}

根据监视窗口：

通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：

1. 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，虚表指针也就是存在部分的另一部分是自己的成员。

2. 基类b对象和派生类d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。

3. 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。

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nullptr。

注意：虚函数跟普通函数一样，都是存在代码段的，不是存在虚表中，虚表中存在的仅仅是虚函数的地址，虚表一般是存在于常量区

2、多态的原理

上面分析了这个半天了那么多态的原理到底是什么？还记得这里Func函数传Person调用的 Person::BuyTicket，传Student调用的是Student::BuyTicket

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;
}

观察下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。

观察下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。

这样就实现出了不同对象去完成同一行为时，展现出不同的形态。

4. 反过来思考我们要达到多态，有两个条件，一个是虚函数覆盖，一个是对象的指针或引用调用虚函数。反思一下为什么？

我们在内存中，找到Mike和Johnson两个对象的虚表，此时调用时，Person类对象Mike虚表上是Persion类的虚函数，Student类对象Johnson虚表上是Student类的虚函数

Func函数虽然是父类指针调用，但是可以通过切片去找到子类中父类那一部分，重写父类函数，调用子类中的函数实现部分

满足多态条件：那么这里调用生成的指令，就会去指向对象的虚表中找到对应虚函数进行调用

五、单继承和多继承关系中的虚函数表

1、单继承中的虚函数表

需要注意的是在单继承和多继承关系中，下面我们去关注的是派生类对象的虚表模型，因为基类的虚表模型前面我们已经看过了，没什么需要特别研究的

class Base { 
public :
 virtual void func1() { cout<<"Base::func1" <<endl;}
 virtual void func2() {cout<<"Base::func2" <<endl;}
private :
 int a;
};
class Derive :public Base { 
public :
 virtual void func1() {cout<<"Derive::func1" <<endl;}
 virtual void func3() {cout<<"Derive::func3" <<endl;}
 virtual void func4() {cout<<"Derive::func4" <<endl;}
private :
 int b;
};
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}

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 PrintVFT(VFPTR* vft)
{
	for (size_t i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%p->", vft[i]);

		VFPTR pf = vft[i];
		(*pf)();
		//pf();
	}
}

int main()
{
	Base b;
	Derive d;

	//int ptr = (int)d; // 不支持转换，只有有关联的类型才能互相转
	VFPTR* ptr = (VFPTR*)(*((int*)&d));
	PrintVFT(ptr);
	// 函数指针
	void (*p1)();
	VFPTR p2;
	// 函数指针数组
	void (*pa1[10])();
	VFPTR pa2[10];


	return 0;
}

运行结果：

思路：取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，前面我们说了虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，这个数组最后面放了一个nullptr

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。

4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表

5.需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最后面没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的-生成-清理解决方案，再编译就好了。

2 多继承中的虚函数表

class Base1 {
public:
 virtual void func1() {cout << "Base1::func1" << endl;}
 virtual void func2() {cout << "Base1::func2" << endl;}
private:
 int b1;
};
class Base2 {
public:
 virtual void func1() {cout << "Base2::func1" << endl;}
 virtual void func2() {cout << "Base2::func2" << endl;}
private:
int b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:
 virtual void func1() {cout << "Derive::func1" << endl;}
 virtual void func3() {cout << "Derive::func3" << endl;}
private:
 int d1;
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
 cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
 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()
{
 Derive d;
 VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
 PrintVTable(vTableb1);
 VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d+sizeof(Base1)));
 PrintVTable(vTableb2);
 return 0;
}

观察下图可以看出：多继承派生类的未重写的虚函数放在第一个继承基类部分的虚函数表中