目录1. 多态的概念2. 多态的定义及实现多态基类的指针/引用 调用虚函数2.1 多态的构成条件2.1.1 实现多态还有两个必须重要条件2.1.2 虚函数类成员函数前加virtual2.1.3 虚函数的重写/覆盖2.1.4 多态场景的一个选择题2.1.5 虚函数重写的一些其他问题2.1.6 override 和 final关键字2.1.7 重载/重写/隐藏的对比3. 纯虚函数和抽象类4. 多态的原理4.1 虚函数表指针4.2 多态的原理4.2.1 多态是如何实现的4.2.2 动态绑定与静态绑定4.2.3 虚函数表1. 多态的概念多态(polymorphism)的概念通俗来说就是多种形态。多态分为编译时多态(静态多态)和运行时多态(动态多态)这里我们重点讲运行时多态。编译时多态静态多态主要就是我们前面讲的函数重载和函数模板他们传不同类型的参数就可以调用不同的函数通过参数不同达到多种形态之所以叫编译时多态是因为他们实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的。我们把编译时一般归为静态运行时归为动态。运行时多态动态多态具体点就是去完成某个行为(函数)可以传不同的对象就会完成不同的行为就达到多种形态。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优惠买票(5折或75折)军人买票时是优先买票。再比如同样是动物叫的一个行为(函数)传猫对象过去就是”(^ω^)喵“传狗对象过去就是汪汪。2. 多态的定义及实现多态基类的指针/引用 调用虚函数2.1 多态的构成条件多态是一个继承关系下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对象优惠买票。2.1.1 实现多态还有两个必须重要条件• 必须是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并且派生类对基类的虚函数实现了重写/覆盖。说明要实现多态效果第一必须是基类的指针或引用因为只有基类的指针或引用才能既指向派生类对象第二派生类必须对基类的虚函数重写/覆盖重写或者覆盖了派生类才能有不同的函数多态的不同形态效果才能达到。2.1.2 虚函数类成员函数前加virtual类成员函数前面加virtual修饰那么这个成员函数被称为虚函数。注意非成员函数不能加virtual修饰。class Person { public: virtual void BuyTicket() { cout 买票-全价 endl; } };2.1.3 虚函数的重写/覆盖虚函数的重写/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(参数列表带不带缺省值、变量名相不相同无所谓类型相同即可)完全相同三同)称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。重写本质是重写了基类虚函数的实现并没有重写声明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不过在考试选择题中经常会故意埋这个坑让你判断是否构成多态。示例1车机票折扣多态实现#include iostream using namespace std; class Person { public: virtual void BuyTicket() { cout 买票-全价 endl; } }; class Student : public Person { public: // 多态条件2派生类重写了基类的虚函数 virtual void BuyTicket() { cout 买票-打折 endl; } }; void Func(Person* ptr) // 多态条件1这里是基类的指针/引用通过ptr调用虚函数 { // 这里可以看到虽然都是Person指针Ptr在调用BuyTicket // 但是跟ptr的类型没关系而是由ptr指向的对象决定的。 ptr-BuyTicket(); } int main() { Person ps; Student st; Func(ps); // 传基类调用基类的函数 Func(st); // 传派生类调用派生类的函数当然将派生类实参传给 基类形参 会产生切片 return 0; }示例2动物叫声多态实现#include iostream using namespace std; class Animal { public: virtual void talk() const {} }; class Dog : public Animal { public: virtual void talk() const { std::cout 汪汪 std::endl; } }; class Cat : public Animal { public: virtual void talk() const { std::cout (^ω^)喵 std::endl; } }; void letsHear(const Animal animal) { animal.talk(); } int main() { Cat cat; Dog dog; letsHear(cat); letsHear(dog); return 0; }2.1.4 多态场景的一个选择题以下程序输出结果是什么BA: A-0 B: B-1 C: A-1 D: B-0 E: 编译出错 F: 以上都不正确#include iostream using namespace std; class A { public: virtual void func(int val 1) { std::cout A- val std::endl; } virtual void test() { func(); } // test()函数的this指针是A*类型A* this调用func() // 满足基类指针调用虚函数条件 }; class B : public A { public: void func(int val 0) { std::cout B- val std::endl; } // 分析1满足重写 }; // 重写本质是重写虚函数的实现所以此处可以不加virtual // 重写后实际应该是void func(int val 1) { std::cout B- val std::endl; } // 基类A虚函数的声明派生类B虚函数的实现多态中才是如此 int main(int argc, char* argv[]) { B* p new B; p-test(); return 0; }2.1.5 虚函数重写的一些其他问题• 协变(了解)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。协变的实际意义并不大所以我们了解一下即可。#include iostream using namespace std; class A {}; class B : public A {}; class Person { public: virtual A* BuyTicket() { cout 买票-全价 endl; return nullptr; } }; class Student : public Person { public: virtual B* BuyTicket() { cout 买票-打折 endl; return nullptr; } }; void Func(Person* ptr) { ptr-BuyTicket(); } int main() { Person ps; Student st; Func(ps); Func(st); return 0; }• 析构函数的重写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不符合重写的规则实际上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所以基类的析构函数加了virtual修饰派生类的析构函数就构成重写。下面的代码我们可以看到如果~A()不加virtual那么delete p2时只调用的A的析构函数没有调用B的析构函数就会导致内存泄漏问题因为~B()中在释放资源。~A()加了virtual那么delete p2就会调用B的析构函数而A又是B的基类所以B析构之后会自动调用A的析构。注意这个问题面试中经常考察大家一定要结合类似下面的样例才能讲清楚为什么基类中的析构函数建议设计为虚函数。#include iostream using namespace std; class A { public: virtual ~A() { cout ~A() endl; } }; class B : public A { public: ~B() { cout ~B()-delete: _p endl; delete _p; } protected: int* _p new int[10]; }; // 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() { A* p1 new A; A* p2 new B; delete p1; delete p2; return 0; }2.1.6 override 和 final关键字从上面可以看出C对虚函数重写的要求比较严格但是有些情况下由于疏忽比如函数名写错参数写错等导致无法构成重写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C11提供了override可以帮助用户在编译时检测是否对虚函数重写。如果我们不想让派生类重写这个虚函数那么可以用final去修饰。示例1override检测是否重写#include iostream using namespace std; // error C3668: “Benz::Drive”: 包含重写说明符“override”的方法没有重写任何基类方法 class Car { public: virtual void Dirve() // 和派生类的函数名不同 {} }; class Benz :public Car { public: virtual void Drive() override { cout Benz-舒适 endl; } }; // 此处并没有重写基类的虚函数 int main() { return 0; }示例2(final修饰的函数无法被重写)#include iostream using namespace std; // error C3248: “Car::Drive”: 声明为“final”的函数无法被“Benz::Drive”重写 class Car { public: virtual void Drive() final {} // 用final修饰不能被重写 }; class Benz :public Car { public: virtual void Drive() { cout Benz-舒适 endl; } }; int main() { return 0; }2.1.7 重载/重写/隐藏的对比注意这个概念对比经常考大家得理解记忆一下3. 纯虚函数和抽象类在虚函数的后面写上0则这个函数为纯虚函数纯虚函数不需要定义实现(实现没啥意义因为要被派生类重写但是语法上可以实现)只要声明即可。包含纯虚函数的类叫做抽象类抽象类不能实例化出对象如果派生类继承后不重写纯虚函数那么派生类也是抽象类。纯虚函数某种程度上强制了派生类重写虚函数因为不重写实例化不出对象。示例1#include iostream using namespace std; class Car { public: virtual void Drive() 0; }; class Benz :public Car { public: virtual void Drive() { cout Benz-舒适 endl; } }; class BMW :public Car { public: virtual void Drive() { cout BMW-操控 endl; } }; int main() { // 编译报错error C2259: “Car”: 无法实例化抽象类 // Car car; // 无法实例化对象但是指针可以使用 Car* pBenz new Benz; pBenz-Drive(); // 基类指针调用虚函数构成多态 Car* pBMW new BMW; pBMW-Drive(); // 基类指针调用虚函数构成多态 return 0; }4. 多态的原理4.1 虚函数表指针下面编译为32位程序的运行结果是什么DA. 编译报错 B. 运行报错 C. 8 D. 12#include iostream using namespace std; class Base { public: virtual void Func1() { cout Func1() endl; } protected: int _b 1; char _ch x; }; int main() { Base b; cout sizeof(b) endl; return 0; }上面题目运行结果12bytes除了_b和_ch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virtualf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一个类所有虚函数的地址要被放到这个类对象的虚函数表中虚函数表也简称虚表。实际是一个函数指针数组存放虚函数的地址4.2 多态的原理4.2.1 多态是如何实现的从底层的角度Func函数中ptr-BuyTicket()是如何作为ptr指向Person对象调Person::BuyTicketptr指向Student对象调用Student::BuyTicket的呢通过下图我们可以看到满足多态条件后底层不再是编译时通过调用对象确定函数的地址而是运行时到指向的对象的虚表中确定对应的虚函数的地址这样就实现了指针或引用指向基类就调用基类的虚函数指向派生类就调用派生类对应的虚函数。第一张图ptr指向的Person对象调用的是Person的虚函数第二张图ptr指向的Student对象调用的是Student的虚函数。对应下面的代码#include iostream #includestring using namespace std; class Person { public: virtual void BuyTicket() { cout 买票-全价 endl; } protected: string _name; }; class Student : public Person { public: virtual void BuyTicket() { cout 买票-打折 endl; } protected: int _id; }; class Soldier : public Person { public: virtual void BuyTicket() { cout 买票-优先 endl; } protected: string _codename; }; void Func(Person* ptr) { // 这里可以看到虽然都是Person指针Ptr在调用BuyTicket // 但是跟ptr没关系而是由ptr指向的对象决定的。 ptr-BuyTicket(); // 指向谁调用谁 // 指向哪个对象运行时到指向对象的虚函数表中找到对应虚函数的地址进行调用 } int main() { // 其次多态不仅仅发生在派生类对象之间多个派生类继承基类重写虚函数后 // 多态也会发生在多个派生类之间。 Person ps; Student st; Soldier sr; Func(ps); Func(st); Func(sr); return 0; }Func函数中的ptr对象指向谁调用谁。指向哪个对象运行时到指向对象的虚函数表中找到对应虚函数的地址进行调用。见下图关系对应不同类的虚表不一样则不同类调用不同的虚函数。4.2.2 动态绑定与静态绑定• 对不满足多态条件(指针或者引用调用虚函数)的函数调用是在编译时绑定也就是编译时确定调用函数的地址叫做静态绑定。• 满足多态条件的函数调用是在运行时绑定也就是在运行时到指向对象的虚函数表中找到调用函数的地址也就做动态绑定。// ptr是指针BuyTicket是虚函数满足多态条件。 // 这里就是动态绑定编译在运行时到ptr指向对象的虚函数表中确定调用函数地址 ptr-BuyTicket(); 00EF2001 mov eax, dword ptr[ptr] 00EF2004 mov edx, dword ptr[eax] 00EF2006 mov esi, esp 00EF2008 mov ecx, dword ptr[ptr] 00EF200B mov eax, dword ptr[edx] 00EF200D call eax // BuyTicket不是虚函数不满足多态条件。 // 这里就是静态绑定编译器直接确定调用函数地址 ptr-BuyTicket(); 00EA2C91 mov ecx, dword ptr[ptr] 00EA2C94 call Student::Student(0EA153Ch)4.2.3 虚函数表• 基类对象的虚函数表中存放基类所有虚函数的地址。同类型对象虚表共用不同类型的对象虚表各自独立• 派生类由两部分构成继承下来的基类和自己的成员一般情况下继承下来的基类中有虚函数表指针自己就不会再生成虚函数表指针。单继承时派生类通常直接沿用基类子对象中的 vptr 位置不额外增加一个 vptr但这个 vptr 会被设置为指向适合派生类的虚表。多继承时则可能存在多个 vptr。• 派生类中重写的基类的虚函数派生类的虚函数表中对应的虚函数就会被覆盖成派生类重写的虚函数地址。• 派生类的虚函数表中包含基类的虚函数地址派生类重写的虚函数地址派生类自己的虚函数地址三个部分。•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0x00000000标记。(这个C并没有进行规定各个编译器自行定义的vs系列编译器会再后面放0x00000000标记g系列编译不会放)•虚函数存在哪的虚函数和普通函数一样的编译好后是一段指令都是存在代码段的只是虚函数的地址又存到了虚表中。• 虚函数表存在哪的这个问题严格说并没有标准答案C标准并没有规定我们写下面的代码可以对比验证一下。vs下是存在代码段(常量区)