【C++】多态网站首页 技术教程

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; }
};

仅作了解，几乎没什么用处。

2.2、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 。

2.3、例题

例题1：

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;
}

要求写出运行结果。

题解如下：

子类 B 继承了父类 A ，所以 B 中也有了虚函数 test ，并对虚函数 func 进行了重写。注意：由于继承并不会改变函数参数的类型，所以 B 中继承的 test 函数的参数 this 类型仍然是 A* 。

使用 B 类类型指针 p 调用函数 test ，就相当于把子类型 B* 的指针传给了 test 函数中父类型 A* 的this指针。再在函数内部调用 this->func()；，因为 this 指针是父类的指针，满足多态的第一个条件，在子类中对虚函数 func 进行了重写，满足多态的第二个条件。所以这里构成多态。所以由于 p 指向的是子类，那么调用的就是子类的 func 函数。

需要注意的是，在 B 类中直接继承了虚函数 func 的接口，并对其实现做重写操作。所以 B 类在继承时也继承了 func 函数的缺省，即 val 的缺省值为 1 。因此最终的结果是 " B->1" 。

例题2：

class A
{
public:
	virtual void func(int val = 1) { std::cout << "A->" << val << std::endl; }
};

class B : public A
{
public:
	void func(int val = 0) { std::cout << "B->" << val << std::endl; }
	virtual void test() { func(); }
};

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

与上一题不同的地方在于把虚函数 test 从父类拿到了子类中。这样 test 函数的 this 指针类型为 B* ，是子类指针，调用 this-> func()；时不满足多态的条件一，因此不构成多态。由于没有多态，所以这就是一次普通调用，并没有虚函数重写这个概念，直接调用本类的 func 函数，最终结果是 "B->0" 。可以理解为没有多态就没有接口继承，也没有重写。

3、C++11 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。

3.1、final

final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

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

但是虚函数的意义就是为了被重写，重写是为了完成多态。如果不希望被重写，就没必要把函数弄成虚函数。所以 final 的应用场景几乎没有。

3.2、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。

建议以后虚函数都加上 override ，使得虚函数必须要被重写。虚函数是为被重写而生的。

4、重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

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。

抽象类不能实例化处对象：

必须在子类中重写纯虚函数才能实例化出对象：

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

观察如下代码：

Base 类的大小为 12 ，与只考虑内存对齐得出的 8 不同。这是因为类中多了一个虚函数表指针：

虚函数表指针 __vfptr ，v代表virtual，f代表function。虚函数表本质上是一个虚函数指针数组。

虚表内指针指向的是本类中虚函数的地址，父类的虚表中存放指向父类的虚函数的指针，子类的虚表中存放指向子类的虚函数的指针。

现在让类中含有多个虚函数：

可以看到在 Derived 类中重写的 Func1() 函数与 Base 类中的 Func1() 函数地址不同。而直接继承，没有重写的 Fun2() 函数与 Base 类中的 Func2() 函数地址相同。这就是重写（覆盖）的具现化表现。

总结：

派生类对象dd中也有一个虚表指针，dd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。
基类bb对象和派生类dd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。
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。
这里还有一个童鞋们很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？答：虚函数存在虚表，虚表存在对象中。注意上面的回答的错的。但是很多童鞋都是这样深以为然的。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 g++下大家自己去验证。
同类的对象共用同一个虚表。
虚表是在编译阶段生成的，是在构造函数的初始化列表中初始化的。

2、多态的原理

通过如下代码来进行解释说明：

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;
}

函数调用关系如下：

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。
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，一个是使用父类对象的指针或引用调用虚函数。
其中虚函数覆盖是为了在子类里重写了虚函数后，把子类的虚表里的指针拷贝覆盖成新的函数地址。
使用父类对象的指针或者引用来调用虚函数是为了直接接收父类对象或者对接收到的子类对象进行切片，在汇编层面统一代码操作。
至于为什么使用父类对象本身调用虚函数不行，是因为拷贝构造只拷贝成员，不拷贝虚表，拿不到虚表，就没办法实现多态。
再通过下面的汇编代码分析，看出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的中取找的。不满足多态的函数调用时编译时确认好的。

满足多态的汇编指令：

不满足多态的汇编指令：

3、动态绑定与静态绑定

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，也称为静态多态，比如：函数重载
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，也称为动态多态。

五、单继承和多继承关系的虚函数表

1、单继承中的虚函数表

如下面代码：

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;
};

观察监视窗口：

在监视窗口中，我们只能看到func1与func2，看不到func3与func4。这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数。可以通过代码打印出虚表中的函数：

typedef void(*VF_PTR)(); 
void PrintVFTable(VF_PTR* table)
{
	for (int i = 0; table[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf("[%d]:%p
", i, table[i]);
	}
	cout << endl;
}

调用 PrintVFTable 函数的具体思路是：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 。步骤如下：

先取b的地址，强转成一个int*的指针
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
再强转成VF_PTR*，因为虚表就是一个存VF_PTR类型(虚函数指针类型)的数组。
虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表
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。

这种调用方法有一个弊端，那就是只能在 32 位环境下运行。因为32位和64位下 int* 解引用之后的大小都是 4 字节，而在64位下我们希望得到的指针大小是 8 个字节，不满足需求。

因此需要使用以下方法：

直接把对象地址转换成 VF_PTR** 类型，再对其解引用拿到该地址中的虚表指针。

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;
	PrintVTable((VFPTR*)(*(int*)&d));

	//PrintVTable((VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1))));
	Base2* ptr2 = &d;
	PrintVTable((VFPTR*)(*(int*)(ptr2)));
	return 0;
}

多继承派生类中有两张虚表，分别来自不同的基类。派生类中重写的虚函数会同时刷新到每个包含该虚函数的虚表中。

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，而不会放到第二个继承基类部分的虚函数表里：

多继承以后，两个虚表中重写的 Func1 地址不一样，我们使用如下代码来解释说明：

int main()
{
	Derive d;
	Base1* ptr1 = &d;
	Base2* ptr2 = &d;

	ptr1->func1();
	ptr2->func1();

	return 0;
}

转到反汇编：

可以发现，不管是 ptr1 还是 ptr2 调用 func1 函数，最终调用的都是同一个。只不过 ptr1 调用是直接调用，而 ptr2 调用时绕了很大一圈。

在 ptr2 调用 func 函数的反汇编代码中有一句特殊的 sub 指令。在寄存器 ecx 中存储的是 this 指针，因此这句指令的意义在于修正 this 指针的位置。不论是 ptr1 还是 ptr2，它们调用的都是子类的 func1 函数，而调用子类的成员函数，其this指针应该指向子类对象。刚好 ptr1 所指向的位置就是子类对象 d 的起始位置，所以可以直接调用。而 ptr2 指向的位置是继承后偏移的位置，所以需要先修正位置，再调用函数。

六、常见问答题

inline函数可以是虚函数吗？答：可以，不过编译器就忽略inline属性，这个函数就不再是inline，因为虚函数要放到虚表中去。
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，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。
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。
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。
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。
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
什么是抽象类？抽象类的作用？答：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。

关于多态的内容就讲到这里，希望同学们多多支持，如果有不对的地方欢迎大佬指正，谢谢！

风语者！平时喜欢研究各种技术，目前在从事后端开发工作，热爱生活、热爱工作。