【C++】三大特性之多态

青衫哥

发布于 2023-03-31 09:18:09

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前言

需要声明的，本节课件中的代码及解释都是在 vs2013 下的 x86 程序中，涉及的指针都是 4bytes 。 如果要其他平台下，部分代码需要改动。比如：如果是 x64 程序，则需要考虑指针是 8bytes 问题等等

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 。

例如：我们平时游乐场买票，大人全价，小孩半价。

二、多态的定义及实现

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

2.虚函数

我们在讲继承的菱形继承的时候曾经说到过虚拟继承，是在继承方式前加上 virtual 。

被 virtual 修饰的类成员函数叫做虚函数

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

3.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>
#include <string>
using namespace std;

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

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

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

int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Func(p);
	Func(s);
	return 0;
}

注意：

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

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。这里的父子类的指针或引用甚至还可以是其他的父子类的指针或引用。（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;}
};

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 。另外，我们实现父类的时候，可以给析构函数无脑加 virtual 。

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

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

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

int main()
{
	Person* p1 = new Person;
	Person* p2 = new Student;
	delete p1;
	delete p2;
	
	return 0;
}

我们发现，当我们用Person指针指向子类的时候，用的析构函数仍然是父类的。但是当我们给父类析构函数加上 virtual 。析构的时候就会调用子类的析构函数了。这是因为不加 virtual 的时候，析构函数是普通调用，而加上了 virtual 之后就变成了多态调用。具体的底层原理我们等下介绍虚函数表的时候会说明。

4.C++11 override 和 fifinal

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。

a) 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;}
};

b) 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。

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

5 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。

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

这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？

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

答案是：8 是不是非常奇怪？按照我们平常所学的内存对齐，不应该是4吗？

我们通过调试查看

对象的成员前面还多了一个指针_vfptr ，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

我们以下面代码为例：

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;
}

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 。（在VS中的情况）

5. 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。

6. 这里还有一个很容易混淆的问题： 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 。但是很多人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。

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

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

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

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

int main()
{
	int a = 0;
	cout << "栈：" << &a << endl;

	int* b = new int;
	cout << "堆: " << b << endl;

	const char* c = "hello world";
	cout << "代码段/常量区：" << (void*)c << endl;

	static int d = 0;
	cout << "静态区：" << &d << endl;

	Student s1;
	cout << "虚表：" << (void*)*(int*)&s1 << endl;
	return 0;
}

补充：

有人问了，上面的代码，只是看32位下的虚表地址的，有没有既能查看32位，又能查看64位的呢？还真有！

我们强制类型转换成 int* 就是为了取到四个字节，但是在32位下是4字节，在64位下是8字节的只有指针了，所以我们强制类型转换为二级指针就行了。这样解引用的时候，得到的一级指针就是占用8字节的了。

Student s1;
cout << "虚表：" << (void*)*(void**)&s1 << endl;

2.多态的原理

我们再用文首的买票的例子：

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

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

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

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

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

int main()
{
	Person p;
	Student s;
	Func(p);
	Func(s);
	return 0;
}

当我们用Person类对象调用的时候，是在Person的虚函数表中找到Person类的函数实现方式。而当我们用Student类对象调用的时候，派生类的内部会拷贝基类的虚表内容过来，但是由于我们已经重写了Person类虚表中的函数，所以调用的时候，我们找到的函数实现方法也已经发生了改变。

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。

补充： 为什么构成多态有两个条件：一个是虚函数覆盖，一个是父类对象的指针或引用调用虚函数。直接是父类对象不行吗？答案：不行。如果我们直接用的是父类对象，那么就直接会使用父类的所有东西，就算我们传的参数是子类，也是直接切片后用父类的成员。而我们如果用的是指针或者引用，当解引用之后我们实际的对象是子类或者父类，这样去虚表中查找函数的时候才能找到不同的实现方式。

3.动态绑定与静态绑定

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，也称为静态多态，

比如：函数重载

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

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;
};

由于我们通过Vs的监视窗口查看只能看到两个函数显示，所以我们需要手动打印函数地址来查看。

代码：

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

typedef void(*VFPTR)();

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;
};

void Print_VFPTR(VFPTR vTable[])
{
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf("第%d个虚函数的地址：0x%x,->", i, vTable[i]);
		VFPTR f = vTable[i];
		f();
	}
	printf("\n");
}
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(void**)&b);
	Print_VFPTR(vTableb);

	VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(void**)&d);
	Print_VFPTR(vTabled);
	return 0;
}

派生类中没有重写的虚函数是放到了派生类中基类部分的虚表中的。

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

代码：

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

typedef void(*VFPTR)();

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);

	/*Base2* ptr2 = &d;
	VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)ptr2));*/
	VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1)));
	PrintVTable(vTableb2);

	return 0;
}

我们看到派生类中没有重写的虚函数是存放在了第一个继承的基类的虚表中的。派生类的函数一般是按照函数声明顺序来排列。

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、菱形虚拟继承我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。有兴趣了解的，可以去看下面的两篇链接文章。

C++虚函数表解析

C++对象的内存布局

六、一些关于多态的问题

1. 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。 2. 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。 3. 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。 4. 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。 5. 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。 6. 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。 7. 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。