1. 多態(tài)概念

1.1 概念

• 多態(tài)的概念：通俗來(lái)說(shuō)，就是多種形態(tài)，具體點(diǎn)就是去完成某個(gè)行為，當(dāng)不同的對(duì)象去完成時(shí)會(huì)產(chǎn)生出不同的狀態(tài)。
• 舉個(gè)栗子：比如買(mǎi)票，當(dāng)普通人買(mǎi)票時(shí)，是全價(jià)買(mǎi)票；學(xué)生買(mǎi)票時(shí)，是半價(jià)買(mǎi)票；軍人買(mǎi)票時(shí)是優(yōu)先買(mǎi)票。同一個(gè)事情針對(duì)不同的人或情況有不同的結(jié)果或形態(tài)。

2. 多態(tài)的定義及實(shí)現(xiàn)

2.1 多態(tài)的構(gòu)成條件

多態(tài)是在不同繼承關(guān)系的類(lèi)對(duì)象，去調(diào)用同一函數(shù)，產(chǎn)生了不同的行為。比如Student繼承了Person。
Person對(duì)象買(mǎi)票全價(jià)，Student對(duì)象買(mǎi)票半價(jià)。

注意：那么在繼承中要構(gòu)成多態(tài)還有兩個(gè)條件：

• 必須通過(guò)基類(lèi)的指針或者引用調(diào)用虛函數(shù)。
• 被調(diào)用的函數(shù)必須是**虛函數(shù)，且派生類(lèi)必須對(duì)基類(lèi)的虛函數(shù)進(jìn)行重寫(xiě)。

2.2 虛函數(shù)

虛函數(shù)：即被virtual修飾的類(lèi)成員函數(shù)稱(chēng)為虛函數(shù)。

class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "買(mǎi)票-全價(jià)" << endl;}
};

2.3 虛函數(shù)的重寫(xiě)

• 虛函數(shù)的重寫(xiě)(覆蓋)：派生類(lèi)中有一個(gè)跟基類(lèi)完全相同的虛函數(shù)(即派生類(lèi)虛函數(shù)與基類(lèi)虛函數(shù)的返回值類(lèi)型、函數(shù)名字、參數(shù)列表完全相同)，稱(chēng)子類(lèi)的虛函數(shù)重寫(xiě)了基類(lèi)的虛函數(shù)。

注意：

• 在重寫(xiě)基類(lèi)虛函數(shù)時(shí)，派生類(lèi)的虛函數(shù)在不加virtual關(guān)鍵字時(shí)，雖然也可以構(gòu)成重寫(xiě)(因?yàn)槔^
• 承后基類(lèi)的虛函數(shù)被繼承下來(lái)了在派生類(lèi)依舊保持虛函數(shù)屬性),但是該種寫(xiě)法不是很規(guī)范，不建議這樣使用。

class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "買(mǎi)票-全價(jià)" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
	void BuyTicket() { cout << "買(mǎi)票-半價(jià)" << endl; }
};

2.4 代碼示例

2.4.1 沒(méi)構(gòu)成重寫(xiě)

2.4.2 構(gòu)成重寫(xiě)

2.5 虛函數(shù)重寫(xiě)的兩個(gè)例外

2.5.1 協(xié)變

派生類(lèi)重寫(xiě)基類(lèi)虛函數(shù)時(shí)，與基類(lèi)虛函數(shù)返回值類(lèi)型不同。即基類(lèi)虛函數(shù)返回基類(lèi)對(duì)象的指針或者引用，派生類(lèi)虛函數(shù)返回派生類(lèi)對(duì)象的指針或者引用時(shí)，稱(chēng)為協(xié)變。

2.5.2 析構(gòu)函數(shù)的重寫(xiě)

如果基類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)為虛函數(shù)，此時(shí)派生類(lèi)析構(gòu)函數(shù)只要定義，無(wú)論是否加virtual關(guān)鍵字，都與基類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)構(gòu)成重寫(xiě)，即使基類(lèi)與派生類(lèi)析構(gòu)函數(shù)名字不同。雖然函數(shù)名不相同，看起來(lái)違背了重寫(xiě)的規(guī)則，其實(shí)不然，這里可以理解為編譯器對(duì)析構(gòu)函數(shù)的名稱(chēng)做了特殊處理，編譯后析構(gòu)函數(shù)的名稱(chēng)統(tǒng)一處理成destructor。

注意：

析構(gòu)函數(shù)在編譯以后函數(shù)名會(huì)統(tǒng)一成destructor。如果不加virtual則會(huì)造成重定義（隱藏），如上圖代碼如果不構(gòu)成析構(gòu)函數(shù)的重寫(xiě)，則在析構(gòu)p2時(shí)只會(huì)析構(gòu)Student，因?yàn)榇藭r(shí)成了重定義所以不會(huì)自動(dòng)調(diào)用Person里面的析構(gòu)，造成資源泄漏。

2.6 C++11 override 和 final

• C++對(duì)函數(shù)重寫(xiě)的要求比較嚴(yán)格，但是有些情況下由于疏忽，可能會(huì)導(dǎo)致函數(shù)名字母次序?qū)懛炊鵁o(wú)法構(gòu)成重載，而這種錯(cuò)誤在編譯期間是不會(huì)報(bào)出的，只有在程序運(yùn)行時(shí)沒(méi)有得到預(yù)期結(jié)果才來(lái)debug會(huì)得不償失。
• 因此：C++11提供了override和final兩個(gè)關(guān)鍵字，可以幫助用戶(hù)檢測(cè)是否重寫(xiě)。

1. final：修飾虛函數(shù)，表示該虛函數(shù)不能再被繼承

2. override: 檢查派生類(lèi)虛函數(shù)是否重寫(xiě)了基類(lèi)某個(gè)虛函數(shù)，如果沒(méi)有重寫(xiě)編譯報(bào)錯(cuò)。

2.7 重載、覆蓋(重寫(xiě))、隱藏(重定義)的對(duì)比

3. 抽象類(lèi)

3.1 概念

在虛函數(shù)的后面寫(xiě)上 =0 ，則這個(gè)函數(shù)為純虛函數(shù)。包含純虛函數(shù)的類(lèi)叫做抽象類(lèi)（也叫接口類(lèi)），抽象類(lèi)不能實(shí)例化出對(duì)象。派生類(lèi)繼承后也不能實(shí)例化出對(duì)象，只有重寫(xiě)純虛函數(shù)，派生類(lèi)才能實(shí)例化出對(duì)象。純虛函數(shù)規(guī)范了派生類(lèi)必須重寫(xiě)，另外純虛函數(shù)更體現(xiàn)出了接口繼承。

3.2 接口繼承和實(shí)現(xiàn)繼承

• 普通函數(shù)的繼承是一種實(shí)現(xiàn)繼承，派生類(lèi)繼承了基類(lèi)函數(shù)，可以使用函數(shù)，繼承的是函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。
• 虛函數(shù)的繼承是一種接口繼承，派生類(lèi)繼承的是基類(lèi)虛函數(shù)的接口，目的是為了重寫(xiě)，達(dá)成多態(tài)，繼承的是接口。所以如果不實(shí)現(xiàn)多態(tài)，不要把函數(shù)定義成虛函數(shù)。

4.多態(tài)的原理

4.1虛函數(shù)表

通過(guò)觀察測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)b對(duì)象是8bytes，除了_b成員，還多一個(gè)__vfptr放在對(duì)象的前面(注意有些平臺(tái)可能會(huì)放到對(duì)象的最后面，這個(gè)跟平臺(tái)有關(guān))，對(duì)象中的這個(gè)指針我們叫做虛函數(shù)表指針(v代表virtual，f代表function)。一個(gè)含有虛函數(shù)的類(lèi)中都至少都有一個(gè)虛函數(shù)表指針，因?yàn)樘摵瘮?shù)的地址要被放到虛函數(shù)表中，虛函數(shù)表也簡(jiǎn)稱(chēng)虛表。

虛函數(shù)表指針（簡(jiǎn)稱(chēng)虛表指針）

虛函數(shù)表本質(zhì)是一個(gè)指針數(shù)組（指針是一個(gè)虛函數(shù)指針），（虛基表->菱形繼->存的偏移量）。

基類(lèi)和派生類(lèi)中的虛函數(shù)表。

總結(jié)：

• 基類(lèi)b對(duì)象和派生類(lèi)d對(duì)象虛表是不一樣的，這里我們發(fā)現(xiàn)Func1完成了重寫(xiě)，所以d的虛表中存的是重寫(xiě)的Derive::Func1，所以虛函數(shù)的重寫(xiě)也叫作覆蓋，覆蓋就是指虛表中虛函數(shù)的覆蓋。重寫(xiě)是語(yǔ)法的叫法，覆蓋是原理層的叫法。
• 另外Func2繼承下來(lái)后是虛函數(shù)，所以放進(jìn)了虛表，F(xiàn)unc3也繼承下來(lái)了，但是不是虛函數(shù)，所以不會(huì)放進(jìn)虛表。
• 虛函數(shù)表本質(zhì)是一個(gè)存虛函數(shù)指針的指針數(shù)組，這個(gè)數(shù)組最后面放了一個(gè)nullptr。
• 派生類(lèi)的虛表生成：
• a.先將基類(lèi)中的虛表內(nèi)容拷貝一份到派生類(lèi)虛表中
• b.如果派生類(lèi)重寫(xiě)了基類(lèi)中某個(gè)虛函數(shù)，用派生類(lèi)自己的虛函數(shù)覆蓋虛表中基類(lèi)的虛函數(shù)
• c.派生類(lèi)自己新增加的虛函數(shù)按其在派生類(lèi)中的聲明次序增加到派生類(lèi)虛表的最后。
• 虛函數(shù)存在哪的？虛表存在哪的？
• 虛函數(shù)在代碼段，虛函數(shù)表也在代碼段。虛函數(shù)表中存放的是虛函數(shù)地址。對(duì)象里面是虛函數(shù)表的指針。

4.2多態(tài)的原理

總結(jié)：

1. 這樣就實(shí)現(xiàn)出了不同對(duì)象去完成同一行為時(shí)，展現(xiàn)出不同的形態(tài)。
2. 反過(guò)來(lái)思考我們要達(dá)到多態(tài)，有兩個(gè)條件，一個(gè)是虛函數(shù)覆蓋，一個(gè)是對(duì)象的指針或引用調(diào)用虛函數(shù)？
3. 虛函數(shù)覆蓋是為了構(gòu)成多態(tài)時(shí)不同的對(duì)象通過(guò)調(diào)用對(duì)應(yīng)類(lèi)中的虛函數(shù)表時(shí)通過(guò)虛函數(shù)的地址去找到對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)。而指針或者引用是因?yàn)樵谡覍?duì)應(yīng)的虛函數(shù)時(shí)是在虛函數(shù)表中通過(guò)地址查找的。
4. 通過(guò)匯編代碼分析，看出滿足多態(tài)以后的函數(shù)調(diào)用，不是在編譯時(shí)確定的，是運(yùn)行起來(lái)以后到對(duì)象中去找的。不滿足多態(tài)的函數(shù)調(diào)用時(shí)編譯時(shí)確認(rèn)好的。即不滿足多態(tài)的函數(shù)地址編譯時(shí)已經(jīng)確定，而構(gòu)成多態(tài)的虛函數(shù)在運(yùn)行時(shí)會(huì)通過(guò)地址去call。

4.3 動(dòng)態(tài)綁定與靜態(tài)綁定

• 靜態(tài)綁定又稱(chēng)為前期綁定(早綁定)，在程序編譯期間確定了程序的行為，也稱(chēng)為靜態(tài)多態(tài)，比如：函數(shù)重載。
• 動(dòng)態(tài)綁定又稱(chēng)后期綁定(晚綁定)，是在程序運(yùn)行期間，根據(jù)具體拿到的類(lèi)型確定程序的具體行為，調(diào)用具體的函數(shù)，也稱(chēng)為動(dòng)態(tài)多態(tài)。

5.單繼承和多繼承關(guān)系的虛函數(shù)表

5.1 單繼承中的虛函數(shù)表

通過(guò)代碼打印出虛表中的函數(shù)：

#include<iostream>
using namespace std;

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;
};
typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
	// 依次取虛表中的虛函數(shù)指針打印并調(diào)用。調(diào)用就可以看出存的是哪個(gè)函數(shù)
	cout << " 虛表地址>" << vTable << endl;
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf(" 第%d個(gè)虛函數(shù)地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
		VFPTR f = vTable[i];
		f();
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	// 思路：取出b、d對(duì)象的頭4bytes，就是虛表的指針，前面我們說(shuō)了虛函數(shù)表本質(zhì)是一個(gè)存虛函數(shù)指針的指針數(shù)組，這個(gè)數(shù)組最后面放了一個(gè)nullptr
	// 1.先取b的地址，強(qiáng)轉(zhuǎn)成一個(gè)int*的指針
	// 2.再解引用取值，就取到了b對(duì)象頭4bytes的值，這個(gè)值就是指向虛表的指針
	// 3.再?gòu)?qiáng)轉(zhuǎn)成VFPTR*，因?yàn)樘摫砭褪且粋€(gè)存VFPTR類(lèi)型(虛函數(shù)指針類(lèi)型)的數(shù)組。
	// 4.虛表指針傳遞給PrintVTable進(jìn)行打印虛表
	// 5.需要說(shuō)明的是這個(gè)打印虛表的代碼經(jīng)常會(huì)崩潰，因?yàn)榫幾g器有時(shí)對(duì)虛表的處理不干凈，虛表最后面沒(méi)有放nullptr，導(dǎo)致越界，這是編譯器的問(wèn)題。我們只需要點(diǎn)目錄欄的 - 生成 - 清理解決方案，再編譯就好了。
	VFPTR * vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
	PrintVTable(vTableb);
	VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
	PrintVTable(vTabled);
	return 0;
}

5.2 多繼承中的虛函數(shù)表

#include<iostream>
using namespace std;

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 << " 虛表地址>" << vTable << endl;
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf(" 第%d個(gè)虛函數(shù)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;
}

6. 相關(guān)題目

1. inline函數(shù)可以是虛函數(shù)嗎？

答：能，virtual函數(shù)可以寫(xiě)成inline函數(shù)，不會(huì)造成語(yǔ)法錯(cuò)誤。虛函數(shù)是在運(yùn)行的時(shí)候才決定調(diào)用基類(lèi)或者子類(lèi)的對(duì)應(yīng)函數(shù)，inline函數(shù)是在編譯期間來(lái)決定展開(kāi)與否。虛函數(shù)是在運(yùn)行的時(shí)候才決定調(diào)用基類(lèi)或者子類(lèi)的對(duì)應(yīng)函數(shù)，inline函數(shù)是在編譯期間來(lái)決定展開(kāi)與否。虛函數(shù)是在運(yùn)行的時(shí)候才決定調(diào)用基類(lèi)或者子類(lèi)的對(duì)應(yīng)函數(shù)，inline函數(shù)是在編譯期間來(lái)決定展開(kāi)與否。

2. 靜態(tài)成員可以是虛函數(shù)嗎？

答：不能，因?yàn)殪o態(tài)成員函數(shù)沒(méi)有this指針，使用類(lèi)型::成員函數(shù)的調(diào)用方式無(wú)法訪問(wèn)虛函數(shù)表，所以靜態(tài)成員函數(shù)無(wú)法放進(jìn)虛函數(shù)表。

3. 構(gòu)造函數(shù)可以是虛函數(shù)嗎？

答：不能，因?yàn)閷?duì)象中的虛函數(shù)表指針是在構(gòu)造函數(shù)初始化列表階段才初始化的。

4. 析構(gòu)函數(shù)可以是虛函數(shù)嗎？什么場(chǎng)景下析構(gòu)函數(shù)是虛函數(shù)？

答：可以，并且最好把基類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)定義成虛函數(shù)。

5. 對(duì)象訪問(wèn)普通函數(shù)快還是虛函數(shù)更快？

答：首先如果是普通對(duì)象，是一樣快的。如果是指針對(duì)象或者是引用對(duì)象，則調(diào)用的普通函數(shù)快，因?yàn)闃?gòu)成多態(tài)，運(yùn)行時(shí)調(diào)用虛函數(shù)需要到虛函數(shù)表中去查找。

6. 虛函數(shù)表是在什么階段生成的，存在哪的？

答：虛函數(shù)表是在編譯階段就生成的，一般情況下存在代碼段(常量區(qū))的。

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