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📌本文所属专栏： 【C++拒绝从入门到跑路】
🙏作者水平有限，如果发现错误，敬请指正！感谢感谢！

一、多态的概念

多态按字面的意思就是多种形态，当类之间存在层次结构，并且类之间是通过继承关联时，就会用到多态。

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。

静态的多态，这里的静态是指编译时。

动态的多态：不同的类型对象，去完成同一件事情，产生的动作不一样，结果也不一样

C++ 多态意味着调用成员函数时，会根据调用函数的对象的类型来执行不同的函数。

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。

再比如：为了争夺在线支付市场，支X宝年底经常会做扫红包-支付-给奖励金的活动。有人扫的红包很大有8块、10块…，而有人扫的红包都是1毛，5毛…。这背后也是一个多态行为。支X宝首先会分析你的账户数据和用户行为等等，比如你是新用户、比如你没有经常支X宝支付等等，那么你需要被鼓励使用支X宝，那么你的扫码金额 = random()%99；比如你经常使用支X宝支付或者支X宝账户中常年没钱，那么就不需要太鼓励你去使用支X宝，那么你的扫码金额 = 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。

还有就是花呗借呗每个人的额度不一样，也是分析每个人的账户数据、消费流水、消费频率等等，为不同的用户生成不同的额度。

【上述举例仅做假设】

---

二、多态的定义和实现

2.1 多态的构成条件

多态是在继承关系中不同的类对象，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。

在继承中要构成多态有两个条件缺一不可：

1. 构成多态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(覆盖)。
2. 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数，通过父类的对象调用只会调用父类成员，不会构成多态。

满足上述条件后，基类的指针指向基类对象则调用基类的虚函数，指向派生类对象则调用派生类的虚函数。

2.2 虚函数

虚函数：被 virtual 关键字修饰的**类成员函数**称为虚函数。

• 普通函数不能加 virtual，只有成员函数可以是虚函数

• 只有类的非静态成员函数可以是虚函数

虚函数这里的virtual和虚继承中用的virtual是同一个关键字，但是它们之间没有关系。虚函数这里是为了实现多态，虚继承是为了解决菱形继承的数据冗余和二义性，他们之间没有关联。

2.3 虚函数的重写(覆盖)

虚函数重写(覆盖)的条件：

• 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、参数列表完全相同），称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。

虚函数重写(覆盖)的两个例外：

1. 协变（基类与派生类的虚函数返回值类型不同，但返回值必须是父子关系）

派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型可以不同。但返回值必须为 父子类 类型的指针或引用，称为协变。（了解）

// A和B为父子类
class A {};
class B : public A {};

class Person {
public:
	virtual A* BuyTicket() // 返回值为父类(A)的指针
	{
		cout << "普通人 - 全价买票" << endl;
		return new A;
	}
};

class Student : public Person {
public:
	virtual B* BuyTicket() // 返回值为子类(B)的指针
	{
		cout << "学生 - 半价买票" << endl;
		return new B;
	}
};

void Func(Person* ptr) {
	// 多态 -- ptr指向基类对象则调用基类的虚函数，指向派生类对象则调用派生类的虚函数
	ptr->BuyTicket();
}

int main() {
	Person per;
	Func(&per);

	Student stu;
	Func(&stu);

	return 0;
}

2. 析构函数的重写（子类和父类的析构函数的函数名，看起来不相同，但是它们构成虚函数重写）

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，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了 destructor。【建议把父类的析构函数定义为虚函数，这样子类的虚函数方便重写父类的虚函数】

在new对象特殊场景下：

• 当它们不是虚函数时，因为编译后基类和派生类的析构函数名相同，构成隐藏关系：

• 因为不构成多态，就看指针是什么类型，p1 和 p2 都是 Person* 类型，所以都调用 Person 类的析构函数

  

• 因为编译后基类和派生类的析构函数名相同，当它们是虚函数时，构成重写关系：

  

  不构成多态就是按指针类型去调用对应的析构函数，构成多态（虚函数重写)就会去对象虚表中去找，按照指向的对象类型去调用对应的析构函数。

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

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

// 基类和派生类的析构函数不是虚函数，它们是隐藏关系
// 基类和派生类的析构函数是虚函数，它们是重写关系

int main()
{
	// 普通场景下，虚函数是否重写都是ok的
	Person p;
	Student s;

	// new对象特殊场景
	// 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。
	Person* p1 = new Person;
	Person* p2 = new Student;
	delete p1; // p1->destructor + operator delete(p1)
	delete p2; // p2->destructor + operator delete(p2)
	return 0;
}

3. 派生类中重写基类的虚函数可以不加 virtual 关键字（因为基类的虚函数被继承下来后在派生类依旧保持虚函数属性【因为继承了虚表】），但是该种写法不是很规范，所以建议加上。父类需要子类重写的函数不加virtual不行，因为子类是先继承父类的虚函数，继承下来以后才有virtual属性，子类只是重写这个virtual函数。【严格来说，这个也算是C++语言设计的坑。不过这样设计也有它的理由：如果父类的析构函数加了virtual，子类加不加都一定完成了重写，就保证了delete时一定能实现多态的正确调用析构函数。】

2.4 多态的拓展（动态 和 静态）

有些书籍会把多态进行更细的划分：

1. 静态的多态 – 函数重载，调用同一个函数，传不同的参数，就有不同的行为/形态
2. 动态的多态 – 继承体系中不同的对象去调用同一个虚函数，就有不同的行为/形态

2.5 C++11 新增的 final 和 override

C++针对继承和多态新增的两个关键字：final 和 override

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时才来 debug 会得不偿失，因此：C++11提供了 final 和 override 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。加在父类函数上，表示不能被继承

   // 基类
   class Car
   {
   public:
       // final修饰基类虚函数
   	virtual void Drive() final
       {}
   };
   
   // 派生类
   class Benz :public Car
   {
   public:
       // 无法重写基类中被 “final” 修饰的虚函数
   	virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
   };
   

   【拓展思考】如何设计出一个不能被继承的类呢？

   C++98是把基类构造函数设置成 private，但可以继承，只有你定义基类 / 派生类对象时才会报错！

   而C++11，用 final 修饰类，这样的类就不能被继承了，若被继承会直接报错！

   class A final  // final修饰类，这种方式简单明了
   {};
   
   class B : public A  // error：不能将“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，如果没有重写则编译报错。在子类中使用

   class Car // 基类
   {
   public:
   	virtual void Drive()
       {}
   };
   
   class Benz : public Car // 派生类
   {
   public:
       // override 检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数
   	virtual void Drive() override 
       { 
           cout << "virtual void Drive() override " << endl; 
       }
   };
   

2.6 重载、覆盖、隐藏的对比（⭐重要）

1. 重载（overload） —— 函数重载
   • 两个函数在同一作用域
   • 函数名相同、参数（个数/类型/顺序）不同，与返回值类型无关
2. 覆盖（重写）（override）—— 虚函数覆盖
   • 两个函数分别在基类和派生类的作用域
   • 两个函数必须是虚函数
   • 函数返回值、函数名、参数列表都必须相同（协变例外，返回值可以不同）
3. 隐藏（重定义） —— 继承
   • 两个函数分别在基类和派生类的作用域
   • 函数名相同即可
   • 两个基类和派生类的同名函数不构成重写就是隐藏(重定义)

三、抽象类

3.1 概念 & 纯虚函数（🌟）

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。

作用：

可以更好地表示现实世界中，没有实例对象对应的抽象类型。比如：植物、人、动物，是一个概念没有具体对应的事物，但是可以被玫瑰花等等继承。

// 基类 - 抽象类 - 不能实例化出对象
class Car
{
public:
	virtual void Drive() = 0; // 纯虚函数，基类里面不需要实现它
};

// 派生类
class Benz :public Car
{
public:
	virtual void Drive() // 子类必须重写基类的纯虚函数，派生类才能实例化出对象
	{
		cout << "Benz-舒适" << endl;
	}
};

int main()
{
	// 基类是抽象类，不能实例化出对象，但可以定义基类指针，用来实现多态
	Car* pBenz = new Benz;
	pBenz->Drive();

	return 0;
}

3.2 接口继承 & 实现继承（了解）

普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，可以使用该函数，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（声明），目的是为了重写函数的实现，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。（可以先这样理解下：派生类中重写基类的虚函数可以不加 virtual 关键字，因为基类的虚函数的接口(声明)被继承下来了，在派生类依旧保持虚函数属性。）

子类继承父类的虚函数的接口，也就意味之会继承父类虚函数的参数列表及其缺省值【如果子类中重写的虚函数的参数缺省值和父类不同，使用的是父类的缺省值，部分题目可能会出】，所以子类仅仅只是重写了函数体这一部分内容。

四、多态的原理 🌟

4.1 虚函数表

// 这里常考一道笔试题：请问 sizeof(Base) 是多少？
class Base
{
public:
	virtual void Func1() { cout << "Base::Func1()" << endl; }
private:
	int _b = 1;
};

int main()
{
	cout << sizeof(Base) << endl;//8
	return 0;
}

通过观察测试我们发现Base类的对象是 8 bytes，除了_b 成员，还多一个 _vfptr 指针放在成员对象的前面（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，虚函数的地址被放在虚函数表中，虚函数表也简称虚表。这里跟虚拟继承那里是不一样的，他们之间都用了virtual关键字，但是他们的使用场景完全不一样，解决的也是不一样的问题，它们之间没有关联。虚继承产生的叫做虚基表，虚基表里面存的是距离虚基类的偏移量。

那么派生类中这个表放了些什么呢？我们接着往下分析：

---

对上面代码进行改造：

1. Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3
2. 我们增加一个派生类Derive去继承Base
3. 在Derive中重写Func1

class Base // 基类
{
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 // 派生类
{
public:
	virtual void Func1() // 重写基类虚函数Func1()
	{
		cout << "Derive::Func1()" << endl;
	}
private:
	int _d = 2;
};

int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}

Base 类对象模型：

Base 类对象和 Derive 类对象内存模型：

通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：

1. 虚函数表 创建的时机是在编译期间。

   编译期间编译器就为「每个有虚函数的类」确定好了「对应的虚函数表」里的内容。

2. 虚函数表指针 _vfptr 创建的时机：在构造函数中的初始化列表位置，这里才是真正的初始化，这个时候才会生成虚表指针，并把虚函数表的首地址赋给虚表指针。

   _vfptr 跟着对象走，所以对象什么时候创建出来，_vfptr 就什么时候创建出来，也就是运行的时候。

   程序在编译期间时，编译器会为构造函数中增加为 _vfptr 赋值的 代码(这个是编译器的行为)。

   当程序在运行时，遇到创建对象的代码，执行对象的构造函数，那么这个构造函数里有为这个对象的 _vfptr 赋值的语句。

   所以在程序运行时，编译器会把虚函数表的首地址赋值给虚函数表指针，这个虚函数表指针就有值了。

3. 派生类对象 d 中也有一个虚表指针 _vfptr，d 对象由两部分构成，一部分是基类继承下来的成员，虚表指针也就是存在这部分的，另一部分是自己的成员。

4. 基类 b 对象和派生类 d 对象虚表是不一样的，这里我们发现基类虚函数 Func1 在派生类中完成了重写，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。

   所以：派生类对象 d 的虚表中本来该放的是基类虚函数的地址，但是派生类重写了基类的虚函数，基类虚函数的地址就被覆盖变成了派生类虚函数的地址，本意是调用基类的虚函数，结果却调到了派生类的虚函数。这就实现了多态。

5. 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，但它不是虚函数，所以不会放进虚表。

6. 虚函数表本质是一个存放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。

7. 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，用派生类自己重写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。

8. 基类和派生类，无论是否完成了虚函数的重写，都有各自独立的虚表。

9. 一个类的所有对象共享同一张虚表。(就像一个类的所有对象共享成员函数一样)

   

10. 这里还有两个很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？

    回答：虚函数存在虚表，虚表存在对象中。注意这个回答是错的。

    注意：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？实际我们去验证一下会发现 vs 下是存在代码段的，Linux的g++ 下大家可以自己去验证一下。

    vs下验证代码：

    class Base
    {
    public:
    	virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
    private:
    	int a;
    };
    
    void Test() {}
    
    int main()
    {
    	Base b;
    
    	int a1 = 0; // 栈帧
    	int* p1 = new int; // 堆区
    	const char* p2 = "hello"; // 常量区
    	auto pf = Test; // 函数地址
    	static int a2 = 1; // 静态区
    
    	printf("栈帧        ：0x%p\n", &a1);
    	printf("堆区        ：0x%p\n", p1);
    	printf("常量区      ：0x%p\n", p2);
    	printf("函数地址    ：0x%p\n", pf);
    	printf("静态区      ：0x%p\n", &a2);
    	printf("虚函数表地址：0x%p\n", *((int*)&b));
    
    	return 0;
    }
    

    运行结果如下：

    

4.2 多态的原理（🌟）

还是拿买票举例子：

// 基类
class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "普通人 - 全价买票" << endl; }
};

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

void Func(Person& p) // 基类引用
{
	p.BuyTicket();
}

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

	Student stu;
	Func(stu);

	return 0;
}

【观察 & 总结】

1. 观察图中的红色箭头我们看到，p 引用 per 对象【基类】时，p.BuyTicket() 在 per 的虚表中找到虚函数是 Person::BuyTicket。

2. 观察图中的蓝色箭头我们看到，p 引用 stu 对象【派生类】时，p.BuyTicket() 在 stu 的虚表中找到虚函数是 Student::BuyTicket。

3. 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。

   

---

【总结】

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，一个是基类对象的指针（或引用）调用虚函数，为什么？

【思考一】基类对象的指针（或引用）调用虚函数的原理是什么？

不管基类指针（或引用）指向的是基类还是派生类，执行这段代码 p.BuyTicket() 的指令是一模一样的，都是先找到「虚表指针」（对象中的头 4 个字节），通过虚表指针找到虚表，取对应「虚函数的地址」并调用该虚函数。

下面是多态原理的部分汇编代码分析：

void Func(Person& p)
{
//...
	p.BuyTicket();
// p中存的是per对象的地址，将p移动到[eax]中
00CA2571  mov         eax,dword ptr [p]
// [eax]就是取eax的值s指向的内容，这里相当于把per对象头4个字节(虚表指针)移动到了[edx]
00CA2574  mov         edx,dword ptr [eax]  
00CA2576  mov         esi,esp  
00CA2578  mov         ecx,dword ptr [p]  
// [edx]就是取edx的值指向的内容，这里相当于把虚表中的头4字节存的虚函数指针移动到了[eax]
00CA257B  mov         eax,dword ptr [edx]  
// call eax中存的虚函数指针。这里可以看出满足多态的调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象的中取找的
00CA257D  call        eax  
00CA257F  cmp         esi,esp  
00CA2581  call        __RTC_CheckEsp (0CA12B2h)
}

int main()
{
	Person per;
	Func(per);
    
    return 0;
}

【思考二】为什么必须是用父类的指针或者引用来调用虚函数时才发生多态，而父类对象却不行呢？

父类的指针和引用，切片是指向或者引用父类和子类对象中切出来的那一部分。派生类对象赋值给基类对象，不会拷贝派生类的虚表指针，只会拷贝对象中的数据成员过去。

我们不妨这样来理解，一个类的所有对象共享同一张虚表，就像一个类的所有对象共享成员函数一样，只能供这个类自己的对象使用，所以派生类对象是不可能把虚表拷贝过去的，不然就违背同一个类共享的规则了。

结论：既然不会把派生类的虚表指针拷贝过去，那「基类对象」自然就不能调用到「派生类的虚函数」了。

注意：同类型的对象共享一个虚表，父类实例化出来的所有对象都指向同一个虚函数，vptr保存的地址都一样。

对象调用虚函数，不满足多态条件，所以就是一个普通函数的调用，下面是部分汇编代码分析：

int main()
{
//...
// 首先BuyTicket()虽然是虚函数，但是per是对象，不满足多态的条件，所以这里是普通函数的调用，在编译时已经从符号表确认了函数的地址，直接call 函数地址
	Person per;
    per.BuyTicket();
00195182 lea ecx,[per]
00195185 call Person::BuyTicket (01914F6h)
//...
}

---

下面是上面继承关系中的 Person 类对象 per 和 Student 类对象 stu 模型：

解释了用基类引用（或指针）引用不同对象去完成同一行为时，如何展现出不同的形态。

4.3 多态的一些总结（🌟）

• 构成多态，指向谁就调用谁的虚函数，跟对象有关

  不构成多态，对象类型是什么，就调用哪个函数，跟类型有关

• 多态的调用虚函数也是付出了代价的，因为要到虚表中去找，要付出一定的效率代价。

• 通过上面对汇编代码分析，可以看出：

  1. 满足多态以后的函数调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象中的虚表中去找函数地址的。（运行时决议）
  2. 不满足多态的函数调用，是在编译链接时确定函数地址。（编译时决议）

1. 对象中的虚表指针是在什么阶段初始化的？虚表又是在什么阶段生成的？

   虚表指针在构造函数初始化列表初始化。虚表在编译时就生成了。

2. 虚函数放到虚表里面，这句话对吗？

   这句话不准确，虚表里面放的是虚函数的地址，虚函数跟普通函数一样，编译完成后，都是放在代码段。

3. 虚函数的重写（语法），也叫做虚函数的覆盖（底层）。

   子类会先把父类的虚表拷贝下来，然后将重写的虚函数的地址覆盖到虚表对应位置上，没有重写的虚函数在虚表里的地址和父类还是一样的。重写是语法层的概念，覆盖是虚表实现的底层概念。虚表是怎么实现的，语言并没有规定，不同编译器或有不同。vs下会在虚表结束位置放一个空指针标识结束

4.4 动态绑定 & 静态绑定（⭐）

1. 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，也称为编译时多态性，和静态多态，比如：函数重载、内联函数、函数模板。
2. 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，也称为运行时多态性，和动态多态，比如：虚函数。
3. 本章4.2小节买票的汇编代码就很好的解释了什么是静态(编译器)绑定和动态(运行时)绑定。

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

子类里面重写了父类里面没有的虚函数，虚表会是什么样的？

写一个程序打印一下虚表，确认虚表中调用的函数

typedef void(*VFunc)();//vFunc是函数指针

&b取出vfptr的地址，（int*）强转之后只有四个字节的访问权限，解引用得到首元素[0]里面的值（一个地址），将该地址强转成一个函数指针传参给函数

请看下面这个例子：

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;
}

通过调试，可以观察到，派生类对象 d 中的虚表看不到虚函数 Func3 和 Func4，这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数，也可以认为是它的一个小bug。

那么我们如何查看对象 d 的虚表呢？下面我们使用代码打印出虚表中的函数。

虚函数表本质是一个存放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.

同时为了方便打印，基类和派生类中的虚函数都是无参无返回值的

// 函数指针vfptr
typedef void(*vfptr)();

// 打印虚表，传入虚函数指针数组
// void PrintVFT(vfptr vft[])
void PrintVFT(void* vft[])
{
	printf("虚表地址__vfptr：%p\n", vft);
	for (size_t i = 0; vft[i] != nullptr; i++)
	{
		// 依次打印虚表各元素
		printf("vft[%d]：%p->", i, vft[i]);
		// 把虚表各元素由void*强转为函数指针类型后，赋值给函数指针ptr
		vfptr ptr = (vfptr)vft[i];
		// 调用函数
		ptr();
	}
	printf("\n");
}

int main()
{
	Base b;
    PrintVFT((void**)(*((int*)&b))); // 打印对象b的虚表
	Derive d;
    PrintVFT((void**)(*((int*)&d))); // 打印对象d的虚表
// 思路：取出b、d对象的头4字节，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 --> (int*)&b
// 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 --> *((int*)&b)
// 3.再强转成void**，得到存放void*类型(虚函数指针类型)数组首元素的地址，即指针的地址，所以是v** --> (void**)(*((int*)&b))
// 4.将虚表首元素地址（即虚表指针）传递给PrintVFT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。
	return 0;
}

运行分析如下：

5.2 多继承中的虚函数表

多继承下来的子类有多个虚表。

每个虚表里面都覆盖重写的虚函数，继承没有重写的虚函数，子类自己增加的虚函数只放在第一个虚表里面

请看下面这个例子：

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;
};

// 函数指针vfptr
typedef void(*vfptr)();

// 打印虚表，传入虚函数指针数组的地址（即虚表指针）
void PrintVFT(void* vft[])
{
	printf("虚表地址__vfptr：%p\n", vft);
	for (size_t i = 0; vft[i] != nullptr; i++)
	{
		// 依次打印虚表各元素
		printf("vft[%d]：%p->", i, vft[i]);
		// 把虚表各元素赋值给函数指针ptr
		vfptr ptr = (vfptr)vft[i];
		// 调用函数
		ptr();
	}
	printf("\n");
}

int main()
{
	Derive d;
    
    // 打印第一张虚表
    PrintVFT((void**)*((int*)&d));
	// 打印第二张虚表
    // 必须先强转成char*，然后加Base1大小个字节，再强转成int*，解引用，强转成void**
	PrintVFT((void**)*((int*)((char*)&d + sizeof(Base1))));
    
	return 0;
}

【思考一】Base1 和 Base2 中都有虚函数 func1，那么Derive类中的 func1 到底是重写的哪一个基类的呢？

两个基类 Base1 和 Base2 中的虚函数 func1 都会被重写。因为要满足多态条件。

Derive d;

Base1* p1 = &d; // 用基类1指针调
p1->func1();

Base2* p2 = &d; // 用基类2指针调
p2->func1();

【思考二】多继承体系，Derive 继承了两个基类，那么 Derive 对象中有几张虚表呢？-- 有两张

---

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

说一个小点：这里 Derive 对象的两张虚表中的重写的 Derive::func1 函数，虽然函数地址不一样，但是当 Base1 或 Base2 指针指向 Derive对象时，调的都是 Derive 中的 func1，是同一个函数。具体原因和编译器设计有关。

5.3 菱形继承 & 菱形虚拟继承

实际中我们不建议设计出菱形继承及菱形虚拟继承，一方面太复杂容易出问题，另一方面这样的模型，访问基类成员有一定得性能损耗。所以菱形继承、菱形虚拟继承关系中的多态，它们的虚表我们就不看了，一般我们也不需要研究清楚，因为实际中很少用。

推荐酷壳陈皓大佬的两篇文章。

1、C++ 虚函数表解析 | 酷 壳 - CoolShell

2、C++ 对象的内存布局 | 酷 壳 - CoolShell

六、知识巩固

①问答题

1. 什么是多态？

   答：多态：调用一个函数时，展现出多种形态（通过调用不同的函数，完成不同的行为)。让函数调用更灵活。

   • 静态(编译器)的多态，函数重载。

   int a, b;
   swap(a, b);
   
   string s1, s2;
   swap(s1,s2);
   

   • 动态（运行时）的多态。条件:
     • 子类继承父类，完成虚函数的重写
     • 父类的指针或者引用去调用这个重写虚函数

   父类的指针或引用指向父类对象，调用父类的虚函数
   父类的指针或引用指向子类对象，调用子类的虚函数

   效果:调用函数跟对象有关，指向那个对象调用谁的虚函数

   ---

2. 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？

   答：参考上文

3. 多态的实现原理？

   答：参考上文

4. inline函数可以是虚函数吗？

   答：不能，因为inline函数没有地址，无法把地址放到虚函数表中。

5. 静态成员可以是虚函数吗？

   答：不能，因为静态成员函数没有this指针，没有this指针找不到虚函数表，使用类型::成员函数的调用方式无法访问虚函数表，所以静态成员函数无法放进虚函数表。

6. 构造函数可以是虚函数吗？

   答：不能，因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始化的。定义虚函数目的是构成多态，多态调用要去对象的虚表中找到虚函数。构造函数阶段，对应的虚表指针都没有初始化，找不到构造函数。构造函数初始化之后才会生成虚表。

7. 析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？

   答：可以，并且最好把基类的析构函数定义成虚函数。参考上文

8. 对象访问普通函数快还是虚函数更快？

   答：首先如果是普通对象，是一样快的。如果是指针对象或者是引用对象，则调用的普通函数快，因为构成多态，运行时调用虚函数需要到虚函数表中去查找。

9. 虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？

   答：虚函数表是在编译阶段就生成的，一般情况下存在代码段(常量区)的。

10. C++菱形继承的问题？虚继承的原理？

    答：参考上文。注意这里不要把虚函数表和虚基表搞混了。

11. 什么是抽象类？抽象类的作用？

    答：参考上文。抽象类强制重写了虚函数，另外抽象类体现出了接口继承关系，因为如果子类不重写虚函数，子类也是抽象类，无法实例化对象。其次，抽象类可以更好用来表示显示世界中没有具体实例对应的抽象类型。比如:植物。纯虚函数一般不用实现，实现了也没什么用，他们是用来重写的。

②选择题

黑体为易错概念

👉1、关于虚函数说法正确的是（ ）

A.被virtual修饰的函数称为虚函数

B.虚函数的作用是用来实现多态

C.虚函数在类中声明和类外定义时候，都必须加虚拟关键字

D.静态虚成员函数没有this指针

解答

A.被virtual修饰的成员函数称为虚函数

B.正确

C.virtual关键字只在声明时加上，在类外实现时不能加

D.static和virtual是不能同时使用的

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👉2、关于多态，说法不正确的是（ ）

A.C++语言的多态性分为编译时的多态性和运行时的多态性

B.编译时的多态性可通过函数重载实现

C.运行时的多态性可通过模板和虚函数实现

D.实现运行时多态性的机制称为动态绑定

解答

A.多态分为编译时多态和运行时多态，也叫早期绑定和晚期绑定

B.编译时多态是早期绑定，主要通过重载实现

C.模板属于编译时多态，故错误

D.运行时多态是动态绑定，也叫晚期绑定

选C

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👉3、关于重载、重写和重定义的区别说法正确的是（ ）【不定项选择】

A.重写和重定义都发生在继承体系中

B.重载既可以在一个类中，也可以在继承体系中

C.它们都要求原型相同

D.重写就是重定义

E.重定义就是重写

F.重写比重定义条件更严格

G.以上说法全错误

解答

A.重写即覆盖，针对多态， 重定义即隐藏， 两者都发生在继承体系中

B.重载只能在一个范围内，不能在不同的类里

C.只有重写要求原型相同

D.重写和重定义是两码事,重写即覆盖，针对多态， 重定义即隐藏

E.重写和重定义是两码事,重写即覆盖，针对多态， 重定义即隐藏

F.重写要求函数完全相同，重定义只需函数名相同即可

G.很明显有说法正确的答案

正确答案是：A,F

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👉4、假设A为抽象类，下列声明（ ）是正确的

A. A fun(int);

B. A*p;

C. int fun(A);

D. A obj;

解答

A.抽象类不能实例化对象，所以以对象返回是错误

B.抽象类可以定义指针，而且经常这样做，其目的就是用父类指针指向子类从而实现多态

C.参数为对象，所以错误

D.直接实例化对象，这是不允许的

正确答案是：B

---

👉5、关于不能设置成虚函数的说法正确的是（ ）

A.友元函数可以作为虚函数，因为友元函数出现在类中

B.成员函数都可以设置为虚函数

C.静态成员函数不能设置成虚函数，因为静态成员函数不能被重写

D.析构函数建议设置成虚函数，因为有时可能利用多态方式通过基类指针调用子类析构函数

解答

A.友元函数不属于成员函数，不能成为虚函数

B.静态成员函数就不能设置为虚函数

C.静态成员函数与具体对象无关，属于整个类，核心关键是没有隐藏的this指针，可以通过类名::成员函数名 直接调用，此时没有this无法拿到虚表，就无法实现多态，因此不能设置为虚函数

D.尤其是父类的析构函数强力建议设置为虚函数，这样动态释放父类指针所指的子类对象时，能够达到析构的多态

正确答案是：D

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👉6、要实现多态类型的调用，必须（ ）

A.基类和派生类原型相同的函数至少有一个是虚函数即可

B.假设重写成功，通过指针或者引用调用虚函数就可以实现多态

C.在编译期间，通过传递不同类的对象，编译器选择调用不同类的虚函数

D.只有在需要实现多态时，才需要将成员函数设置成虚函数，否则没有必要

解答

A.必须是父类的函数设置为虚函数

B.必须通过父类的指针或者引用才可以，子类的不行

C.不是在编译期，而应该在运行期间，编译期间，编译器主要检测代码是否违反语法规则，此时无法知道基类的指针或者引用到底引用那个类的对象，也就无法知道调用那个类的虚函数。在程序运行时，才知道具体指向那个类的对象，然后通过虚表调用对应的虚函数，从而实现多态。

D.正确，实现多态是要付出代价的，如虚表，虚表指针等，所以不实现多态就不要有虚函数了

正确答案是：D

---

👉7、关于虚表说法正确的是（ ）

A.一个类只能有一张虚表

B.基类中有虚函数，如果子类中没有重写基类的虚函数，此时子类与基类共用同一张虚表

C.虚表是在运行期间动态生成的

D.一个类的不同对象共享该类的虚表

解答

A.多继承的时候，就会可能有多张虚表

B.父类对象的虚表与子类对象的虚表没有任何关系，这是两个不同的对象

C.虚表是在编译期间生成的

D.一个类的不同对象共享该类的虚表，可以自行写代码验证之

正确答案是：D

---

👉8、以下程序输出结果是( )

class A
{
public:
  A ():m_iVal(0){test();}
  virtual void func() { std::cout<<m_iVal<<' ';}
  void test(){func();}
public:
  int m_iVal;
};

class B : public A
{
public:
  B(){test();}
  virtual void func()
  {
    ++m_iVal;
    std::cout<<m_iVal<<' ';
  }
};

int main(int argc ,char* argv[])
{
  A*p = new B;
  p->test();
  return 0;
}

A.1 0

B.0 1

C.0 1 2

D.2 1 0

E.不可预期

F. 以上都不对

解答

分析:new B时先调用父类A的构造函数，执行test()函数，在调用func()函数，由于此时还处于对象构造阶段，多态机制还没有生效，所以，此时执行的func函数为父类的func函数，打印0，构造完父类后执行子类构造函数，又调用test函数，然后又执行func()由于父类已经构造完毕，虚表已经生成，func满足多态的条件，所以调用子类的func函数，对成员m_iVal加1，进行打印，所以打印1， 最终通过父类指针p->test(),也是执行子类的func,所以会增加m_iVal的值，最终打印2，

所以答案为C 0 1 2

---

👉9、下面函数输出结果是（ ）

class A
{
public: 
  virtual void f()
  {
    cout<<"A::f()"<<endl;
  }

};

class B : public A
{
public:
  virtual void f()
  {
    cout<<"B::f()"<<endl;
  }
};

A* pa = (A*)new B;
pa->f();

A.B::f()

B.A::f()，因为子类的f()函数是私有的

C.A::f()，因为强制类型转化后，生成一个基类的临时对象，pa实际指向的是一个基类的临时对象

D.编译错误，私有的成员函数不能在类外调用

解答

A.正确

B.虽然子类函数为私有，但是多态仅仅是用子类函数的地址覆盖虚表，最终调用的位置不变，只是执行函数发生变化

C.不强制也可以直接赋值，因为赋值兼容规则作出了保证

D.编译正确

正确答案是：A

---

👉10、下面函数输出结果是（ ）

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
    A(char *s) { cout<<s<<endl; }
    ~A(){}
};
class B:virtual public A 
{
public:
    B(char *s1,char*s2):A(s1) { cout<<s2<<endl; }
};
class C:virtual public A 
{
public:
    C(char *s1,char*s2):A(s1) { cout<<s2<<endl; }
};
class D:public B,public C 
{
public:
     D(char *s1,char *s2,char *s3,char *s4):B(s1,s2),C(s1,s3),A(s1)
     { cout<<s4<<endl;}
};
int main() 
{
    D *p=new D("class A","class B","class C","class D");
    delete p;
    return 0; 
}

A：class A class B class C class D B：class D class B class C class A
C：class D class C class B class A D：class A class C class B class D

初始化列表执行顺序跟声明有关，继承成员声明顺序和继承顺序一样，选A

---

👉11、以下程序输出结果是什么（）

class A 
{
public:
    virtual void func(int val = 1){ std::cout<<"A->"<< val <<std::endl;}
    virtual void test(){ func();}//this->func()，this是一个父类指针，构成多态，this指向p，p是一个子类对象的指针。这里调用的是B::func。
};
class B : public A 
{
public:
    //严格来说，这里就不要给val缺省值了或者跟父类保持一致
    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; 
} 

A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确

this是一个父类指针，构成多态，this指向p，p是一个子类对象的指针。这里调用的是B::func。但是虚函数重写的是函数实现（函数体），继承的是父类的接口定义，函数名、参数及缺省值和返回值都继承的是父类的，所以val==1；选B