【C++进阶之路】多态篇-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【C++进阶之路】多态篇。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

前言

多态，顾名思义，就是一件事物具备不同的形态，是继承之后，面向对象的第三大特性，可以这样说：有了继承才有了类的多态，而类的多态是为了更好的实现继承。

多态的列车即将起航，不知你准备好了吗？

一、概念

继承与多态相辅相成。
举个例子：
我们都是人（具备人都有的信息——性别，年龄等），在社会上我们又会具备不同的身份——老师，学生，工人等，那这时放假回家，要去买火车票，那这时如果你是学生火车票五折。如果是老师火车票七五折。

老师和学生都是人，人又具有不同的身份，而不同身份面临的同一件事情表现的具体形态不同。

因此：老师和学生继承人的信息，从而使不同的事物（具有相同特征）对同一件事表现出不同的形态，这样就是多态。

补充：

网友比较形象的解释：
英雄联盟里的每个英雄都是一个对象，其父类（基类）有个方法：按Q、W、E、R会产生伤害、消耗蓝量、并在屏幕上显示攻击效果，每个对象（英雄）继承这个方法，并具有具体的属性，每个对象的伤害量不同、消耗蓝量不同，产生的效果不同，而这个方法具有多态，在编写代码和编译的时候并不确定，而在运行的时候，依据你选则了哪个英雄（对象），在调用父类的这个方法的时候，会依据具体对象执行能产生不同状态的方法，也就是说这个父类的方法具有了多种状态，想要其产生新的状态，只需基于父类再编写新的对象

那语法层面上是如何实现多态呢？

1.分类

多态,我们其实已经接触过一种，叫函数重载，根据传参不同而调用同一函数的不同形态。这叫做静态的多态，也叫静态绑定，而我们今天讲的主要是在继承之后延伸出的类的多态，叫动态的多态，也叫动态绑定。

这里根据上面的例子，列出一段代码：

#include<iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:
	virtual void BuyTickets()
	{
		cout << "全价" << endl;
	}
};

class Student : public Person
{
public:
	virtual void BuyTickets()
	{
		cout << "学生->半价" << endl;
	}
};

class Teacher : public Person
{
public:
	virtual void BuyTickets()
	{
		cout << "老师->七五折" << endl;
	}
};
void BuyTicket(Person & per)
{
	per.BuyTickets();
}
int main()
{
	Student stu;
	Teacher tea;

	BuyTicket(stu);
	BuyTicket(tea);

	return 0;
}

运行结果如下：
【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

初学者看懂个大概即可，语法和原理下面会细讲。

2.实现条件

主要实现方法有两个。

①重写虚函数

所谓虚函数，就是在函数的前面加上virtual。

那重点就在于重写，也叫覆盖。

如何才能构成重写呢？或者什么叫做重写呢？

首先父类至少得有虚函数。
一般来说，子类虚函数得跟父类的虚函数的函数名，参数类型，返回类型相同，简称三同。

细节：

子类的函数前可不加virtual。
返回类型可以不同，但是必须是父子类的指针或者引用，且父类只能是父类的指针或者引用，子类必须是子类的指针或者引用。 —— 协变
重写的是实现。

到这重写的条件就讲清了，至于什么叫重写，其实很简单就是：在达成重写的条件下，子类的虚函数替换掉父类的虚函数，从而达成用指向子类的父类指针，在调用此虚函数时，会调用子类的虚函数，而不是父类的虚函数。

列一段代码，看结果便可明了。

#include<iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:
	//其它类的引用和指针也行，但必须是父是父的，子是子的！
	virtual Person* BuyTickets(int val1 = 1)
	{
		cout << "全价" << endl;
		cout << val1 << endl;

		return nullptr;
	}
};

class Student : public Person
{
public:
	virtual Student* BuyTickets(int val2 = 0)
	{
		cout << "学生->半价" << endl;
		cout << val2 << endl;

		return nullptr;
	}
};

class Teacher : public Person
{
public:
	virtual  Teacher* BuyTickets(int val3 = - 1)
	{
		cout << "老师->七五折" << endl;
		cout << val3 << endl;

		return nullptr;
	}
};
void BuyTicket(Person & per)
{
	per.BuyTickets();
}
int main()
{
	Student stu;
	Teacher tea;

	BuyTicket(stu);
	BuyTicket(tea);

	return 0;
}

运行结果如下：
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解释细节3：壳还是套的父类，仅仅改变了作用域和实现, 如果便于理解，你也可以认为参数名也改了——但实际上底层用的是地址和寄存器，根本不关心参数名，这也是细节1的原因。

1.1总结三重

【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

1.2 final与override

override——对虚函数的重写进行检查。

class Student : public Person
{
public:
	Student* BuyTickets  (int val2 = 0) override
	{
		cout << "学生->半价" << endl;
		cout << val2 << endl;
		return nullptr;
	}
	//void fun1() override
	//{
	//}
	// 
	//此注释代码不符合重写条件，故报错。
};

final

禁止派生类重写此虚函数

class Person
{
public:
	virtual void BuyTickets()final
	{
		cout << "全价" << endl;
	}
};

class Student : public Person
{
public:
	//因为此函数构成重写，派生类会重写虚函数，因此会报错。
	void BuyTickets ()
	{
		cout << "学生->半价" << endl;
	}
};

禁止此类被继承(语法层面) —— C++11

class A final
{};

//因为B继承A，所以会报错。
class B : public A
{};

C++98采用构造函数/析构函数私有来进行实现不可被继承（应用层面）。

构造私有

class A
{
public:
	static A* CreatObj()
	{
		return new A;
	}
private:
	A()
	{}
};
class B : public A
{
	//原理为父类的私有成员在派生类中不可见。
};
int main()
{
	A* a = A::CreatObj();
	//B b;报错
	return 0;
}

析构私有

class A
{
public:
	void Destory()
	{
		A::~A();
	}
private:
	~A()
	{}
};
class B : public A
{
public:
	//原理为父类的私有成员在派生类中不可见。
};
int main()
{
	A* ptra = new A;
	ptra->Destory();
	operator delete (ptra);
	//B b;
	//报错
	return 0;
}

②父类的指针或者引用

为啥必须是父类的指针和引用呢？

从概念上理解，是人具有多种形态，而不是老师具有多种形态，因为人是比较抽象的，赋予了某种身份才具象化。
再换一个例子，是植物具有多种形态，还是玫瑰花具有多种形态？其原因还是一样的，植物没有赋予固定的形态，是比较抽象的，而给植物赋予玫瑰花的身份是具象的。

所以父类这种比较抽象的状态是符合多态的。 当然从C++语法上来说父类也可以是具体的。 但都是为了改变父类的指向从而调用父类的虚函数。

补充：子类也可以有多种形态，这是把子类当做父类来看的，就比如动物里面有猫，而猫分为很多种，比如波斯猫，布偶猫等。

细节： 指定作用域，可破坏多态的条件：

void BuyTicket(Person & per)
{
	per.Person::BuyTickets();
}

为啥不能是子类的指针或者引用？
为啥不是是父类对象？（涉及原理之后再讲）

2.1普通调用VS多态调用

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "A::fun1()" << endl;
	}
	int _a = 0;
};
class B
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "B::fun1()" << endl;
	}
};

class C : public A, public B
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "C::fun1()" << endl;
	}
};

int main()
{
	C c;
	//普通调用
	c.fun1();
	//多态调用
	B* b = &c;
	b->fun1();
	//看汇编代码之后，想一下为什么，不构成多态也去虚函数里面找，再进行调用。
	C* ptrc = &c;
	return 0;
}

汇编图解：
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3.抽象类

3.1. 纯虚函数

在虚函数后面加上 “= 0” 即为纯虚函数,切记语法规定只能是0。

class A
{
public:
	virtual void fun1() = 0;
};

纯虚函数所在类是不能实例化的。

补充：空函数——实现啥也没有
如：void func() {}

class B : public A
{}

这里B继承了A，纯虚函数也被继承了，因此B也无法进行实例化。

像这样，有纯虚函数的类，就是抽象类。

那如何使用呢？很简单子类将纯虚函数进行重写，不就能使用了么。

因此抽象类，会强制子类重写虚函数（应用）。

class B : public A
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "B::fun1()" << endl;
	}
};

B进行重写后，就不含纯虚函数，也就不是抽象类了。

如果你执意要调用，也是可以的，不过会报错：

int main()
{
	B b;
	A* a = &b;
	a->fun1();
	return 0;
}

【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

3.2. 接口继承和实现继承

普通的继承，直接对成员函数进行复用，俗称接口继承。
多态的继承，对虚函数进行重写，重写的是实现。俗称实现继承。

二、原理及使用

1.虚函数表 —— 虚表

引入：

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	virtual void fun1()
	{}
private:
	char _a = 1;
};
int main()
{
	A a;
	cout << sizeof(A) << endl;
	return 0;
}

运行结果：
【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态
为啥不是4（8字节对齐）呢？难道多了什么吗？

查看监视窗口：

调用构造函数前~
【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态
调用构造函数后~

首先在构造函数调用前，比我们预想多了一个指针，是void** 类型的，并且没有被初始化。这就足以证明，8字节是咋来的了。
在调用构造函数后，可以看到_vftptr的指针的具体信息，并被初始化了，大概是_vftptr指针指向的是一个数组，数组有两个元素，元素所存的元素的类型为void (*) ()的虚函数指针，也就是一张存放函数指针的表。且最后一个位置存放的应该是虚函数表的结束位置。 之后证明。

那这张存放虚函数的表，我们称之为虚函数表，简称虚表。

那虚表是用来干啥呢？当然是肯定是用来实现多态的了，再说细点就是为了实现重写。

既然是这样，那我们对以下代码进行调试。

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	virtual void fun1()
	{}
	virtual void fun2()
	{}
private:
	char _a = 1;
};
class B : public A
{
public:
	virtual void fun1()
	{}
};
int main()
{
	A a;
	B b;
	return 0;
}

调试结果：
【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

很显然，不同类的虚表是不同的。根据虚表指针存的值即可看出 。
当子类生成虚表时，把子类的虚表拷贝下来，然后对构成重写的虚函数进行覆写，这里是对原来的位置进行覆盖实现。而子类的不构成重写的虚函数则继续在虚表的后面进行排列。
至于这里监视窗口为啥看不到fun3，我的理解是监视窗口是站在父类的角度进行查看的，当然只能看到父类重写的虚函数和父类没有被重写的虚函数，如果能看到子类的虚函数不就怪了吗？

至于如何验证第三个位置是fun3，给出如下代码。

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << " A :: fun1()" << endl;
	}
	virtual void fun2()
	{
		cout << " A :: fun2()" << endl;
	}
private:
	int _a = 1;
};
class B : public A
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << " B :: fun1()" << endl;
	}
	virtual void fun3()
	{
		cout << " B :: fun3()" << endl;
	}
	int _b = 1;
};
typedef void (*FUN_PTR)();
void Print(FUN_PTR * arr)
{
	for (size_t i = 0; arr[i] != nullptr; i++)
	{
		printf("%p->", arr[i]);
		FUN_PTR ptr = arr[i];
		ptr();
	}
}
int main()
{
	B b;
	int ptr = *(int*)(&b);
	Print((FUN_PTR*)ptr);
	return 0;
}

运行结果：
【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

这是虚表的内存地址（小端）：
【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

总结一下：

不同类的虚表指针的值是不同的。相同类的虚表指针的值是相同的。（不再证明，有兴趣自己看监视窗口）。
监视窗口看不到fun3, 是因为站的视角为父类，而fun3是子类的。
vs2019虚表的结束位置为 0
子类虚表先放父类(虚函数)，再重写，再放子类（从上往下）。
虚表指针随着构造函数的调用而初始化，且虚表指针在对象模型的第一个位置。

下面我们继续讨论遗留下来的问题：

为啥不是是父类对象？

class A
{
public:
	virtual void fun1()
	{}
};
class B : public A
{
public:
	virtual void fun1()
	{}
};
int main()
{
	A a;
	B b;
	a = b;
	//拷贝不拷贝虚表？
	return 0;
}

我们只看赋值之后的监视窗口：

【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

可见，虚表是不会被拷贝过去的，因此，无法完成指向父类调子类的情况（多态），并且如果拷贝过去子类能调用父类的虚函数，就乱套了！因此是不拷贝虚表的。

为啥不是是父类对象？

那虚表存在哪呢？给出如下代码进行验证。

#include<iostream>
class A
{
public:
	virtual void fun1()
	{}
};
int main()
{
	A a;
	//虚表的地址
	void** ptr = (void**)(*(int*)&a);
	//栈区的地址
	int _a = 0;
	//静态区的地址
	static int b = 0;
	//常量区地址
	const char* str = "abc";
	//堆的地址
	int* ptr1 = new int;
	printf("虚表地址->%p\n", ptr);
	printf("栈区地址->%p\n", &_a);
	printf("堆区地址->%p\n", ptr1);
	printf("静态区地址->%p\n", &b);
	printf("常量区地址->%p\n", str);
	return 0;
}

运行结果：
【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

可见虚表地址与常量区地址仅仅差8个字节。
因此：虚表至少在VS2019下是存在常量区的。

2.默认成员函数

2.1构造函数

语法上，不允许在构造函数前加virtual。

那为什么呢？

利用之前得到的结论，虚表指针是在构造函数调用时才被初始化的！ 如果构造函数是虚函数，那虚表指针都没有初始化，如何调用虚函数呢？典型的先有虚函数指针还是先调用构造函数的问题。因此语法上禁掉了。

除此之外，构造（包括拷贝构造）函数里面调用成员函数，不会从虚表进行调用，而是直接进行调用！

2.2析构函数

语法上，允许在析构函数前加virtual。

这是为啥呢？

举一段错误代码，一看便知：

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	~A()
	{
		cout << "A::~A()" << endl;
	}
	int _a = 0;
};

class B : public A
{
public:
	~B()
	{
		cout << "B::~B()" << endl;
	}
	int _b = 1;
};

int main()
{
	B* b = new B;
	A* a = b;
	delete a;

	return 0;
}

运行结果 :
【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

很明显的问题出来了，竟然没有调用子类的析构函数。这是由于向上转换发生的切割现象。会导致内存泄漏的问题。

如何解决？

析构函数前加virtual,那假设上面的代码加上virtual，那delete 子类指针会形成多态，指向父类调用父类的析构函数，指向子类调用子类的析构函数。

3. 多继承

3.1普通的多继承 + 虚函数

举出如下代码进行实验：

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "A::fun1()" << endl;
	}
	virtual void fun2()
	{
		cout << "A::fun2()" << endl;

	}
	int _a = 0;
};

class B
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "B::fun1()" << endl;
	}
	virtual void fun2()
	{
		cout << "B::fun2()" << endl;
	}
	int _b = 0;
};

class C : public A ,public B
{
public:
	virtual void  fun1()
	{
		cout << "C::fun1()" << endl;
	}
	virtual void fun3()
	{
		cout << "C::fun3()" << endl;
	}
	int _c = 0;
};
typedef void (*FUN_PTR)();
void Print(FUN_PTR * arr)
{
	for (size_t i = 0; arr[i] != nullptr; i++)
	{
		printf("%p->", arr[i]);
		FUN_PTR ptr = arr[i];
		ptr();
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	C c;
	void** vftptr1 = (void **)(*(int*)(&c));

	B* ptr = &c;
	void** vftptr2 = (void **)(*(int*)(ptr));


	Print((FUN_PTR*)vftptr1);
	Print((FUN_PTR*)vftptr2);

	return 0;
}

首先我们要看初始化之后的类C的对象模型：
【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

细节：可以根据_vfptr的的信息看出有几个元素。这里A的有四个，B的有三个。
根据此画出对象模型：

运行结果：
总结：继承的子类的不构成重写虚函数不会再生成虚表(除非没有)，而是将虚函数放在第一个父类的虚表中 ; 多继承父类不共享虚表，而是各用个的。

除此之外，这里还会衍生出一个问题：运行结果C::fun1()的地址竟然不同，这是为什么呢？

将上述代码进行简化：

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "A::fun1()" << endl;
	}
	int _a = 0;
};
class B
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "B::fun1()" << endl;
	}
};

class C : public A, public B
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "C::fun1()" << endl;
	}
};

int main()
{
	C c;
	B* b = &c;
	A* a = &c;

	a->fun1();
	b->fun1();
	return 0;
}

调用函数的反汇编流程图：
【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

可见，b对象在调用真正的fun1时拐了一个弯，然后再调用fun1。

为啥要这样这样做呢？

看关键动作——对ecx减8，ecx存放的是this指针，对this指针减8，到C对象的this指针位置，通过C的this指针再进行调用fun1。为啥要这样做呢？因为fun1的作用域是C的类域，直接用B的this指针显然不合理。
因此：调整B的this指针是为了类域的独立性，那A对象咋不用呢？因为A的this指针本就可以当做D的this指针进行使用，没必要再偏。

3.2菱形继承 + 虚函数

同样给出一段代码实验：

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "A::fun1()" << endl;
	}
	int _a = 0;
};

class B : public A
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "B::fun1()" << endl;
	}
	virtual void fun2()
	{
		cout << "B::fun2()" << endl;
	}
	int _b = 0;
};

class C : public A 
{
public:
	virtual void  fun1()
	{
		cout << "C::fun1()" << endl;
	}
	virtual void fun2()
	{
		cout << "C::fun2()" << endl;
	}
	int _c = 0;
};
class D : public B , public C
{
public:
	virtual void  fun2()
	{
		cout << "D::fun2()" << endl;
	}
	virtual void fun3()
	{
		cout << "D::fun3()" << endl;
	}
};
typedef void (*FUN_PTR)();
void Print(FUN_PTR * arr)
{
	for (size_t i = 0; arr[i] != nullptr; i++)
	{
		printf("%p->", arr[i]);
		FUN_PTR ptr = arr[i];
		ptr();
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	D d;
	void** vftptr1 = (void**)(*((int*)(&d)));

	C* b = &d;
	void** vftptr2 = (void**)(*((int*)(b)));

	Print((FUN_PTR*)vftptr1);
	Print((FUN_PTR*)vftptr2);

	return 0;
}

初始化对象后的D类的监视窗口：
【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态
运行结果：

据此画出D类对象的对象模型：

【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

其实跟多继承差不多，也就多套了一层，这里解释一下，B类的fun1重写A类的fun1,D类的fun2重写B类的fun2,D类的fun3放在第一个父类对象的虚表中。C类同理这里就不多说了。

3.3菱形虚拟继承 + 虚函数

贴出一段代码进行实验：

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	virtual void fun1()
	{
		cout << "A::fun1()" << endl;
	}
	int _a = 0;
};

class B : virtual public A
{
public:
	virtual void fun2()
	{
		cout << "B::fun2()" << endl;
	}
	int _b = 0;
};

class C : virtual public A
{
public:
	virtual void fun2()
	{
		cout << "C::fun2()" << endl;
	}
	int _c = 0;
};
class D : public B , public C
{
public:
	virtual void fun3()
	{
		cout << "D::fun3()" << endl;
	}
	virtual void  fun4()
	{
		cout << "D::fun4()" << endl;
	}
	int _d = 0;
};
typedef void (*FUN_PTR)();
void Print(FUN_PTR * arr)
{
	for (size_t i = 0; arr[i] != nullptr; i++)
	{
		printf("%p->", arr[i]);
		FUN_PTR ptr = arr[i];
		ptr();
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	D d;
	void** vftptr1 = (void**)(*((int*)(&d)));

	C* b = &d;
	void** vftptr2 = (void**)(*((int*)(b)));

	A* a = &d;
	void** vftptr3 = (void**)(*((int*)(a)));

	Print((FUN_PTR*)vftptr1);
	Print((FUN_PTR*)vftptr2);
	Print((FUN_PTR*)vftptr3);
	return 0;
}

d初始化后的监视窗口：
【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

运行结果:
【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态
结合内存画出对象模型:

【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

D单独的虚函数放在第一张虚表中，如果除A的虚表外，没有虚表可以放，那就放自己的虚表中。
B，C的各自的虚函数，分别存在两张虚表中。
A，存放一张虚表。
类对象第一个位置存放的是虚表指针，而不是虚基表指针。 因此虚基表指针指向的第一个位置变成了ff ff ff fc，转换成int也就是 - 4 ，这是虚表指针的地址相对类的this指针偏移量（this指针 - 虚表指针的地址）。第二个位置存的是虚表指针的地址相对于A的偏移量。第三个位置存的是0，个人理解：表示终止位置。

此外，我们还需注意避免不同子类重写基类的问题：

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
	virtual void fun1()
	{}

};
class B : virtual public A
{
public:
	virtual void fun1()
	{}

};

class C : virtual public A
{
public:
	virtual void fun1()
	{}

};
class D : public B, public C
{
public:
	virtual void fun2()
	{}
	

};

编译结果：
【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态
画个图理解一下：

【C++进阶之路】多态篇,C++进阶之路,c++,多态

问题：二义性，A不知该继承谁的。
解决方法：交给孙子类决定。

代码如下：

class A
{
public:
	virtual void fun1()
	{}
	int _a = 0;
};
class B : virtual public A
{
public:
	virtual void fun1()
	{}
	int _b = 0;
};

class C : virtual public A
{
public:
	virtual void fun1()
	{}
	int _c = 0;
};
class D : public B, public C
{
public:
	virtual void fun1()
	{}
	virtual void fun2()
	{}
	int _d;
};