【C++】多态

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)和运行时多态(动态多态)。编译时多态(静态多态)主要就是前文中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。

比如我们使用库中的swap与cout输出不同类型的数据时，实际上是调用的不同的函数，但是使用感觉上就是在使用同一个函数，编译器根据输入参数确定要调用或生成的函数

int main() { int a = 3; int b = 4; double c = 1.0; double d = 2.0; swap(a, b);//交换int swap(c, d);//交换double cout << a << endl;//输出int cout << c << endl;//输出double return 0; }

运行时多态，具体点就是去完成某个行为(调用函数)，传不同的对象就会完成不同的行为，就表现出多种形态。

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"。

class Person { public: virtual void BuyTicket() { cout << "买票—全价" << endl; } }; class Student : public Person{ public: void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; } }; void Func(Person& ptr) { ptr.BuyTicket(); } 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 << "喵" << std::endl; } }; 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(); } void letsHear(const Animal& animal) { animal.talk(); } int main() { Person ps; Student st; Func(ps);//对于普通人买票全价 Func(st);//对于学生买票半价 Cat cat; Dog dog; letsHear(cat);//狗的叫声是汪汪 letsHear(dog);//猫的叫声是喵 return 0; }

2. 动态多态的定义及实现

2.1 动态多态的构成条件

2.1.1 虚函数

在类成员函数前面加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; } };

这里的virtual修饰的函数叫做虚函数，需要注意的是这里virtual的使用与前文所提到的虚继承没有联系，注意不要混淆。

补充：需要强调是virtual是修饰类的成员函数的，像友元函数只是在类中声明，友元函数不属于成员函数，不能成为虚函数。

对于静态函数，静态成员函数与具体对象无关，属于整个类，可以通过类名::成员函数名直接调用，核心关键是对于某一个类没有隐藏的this指针，那么运行时没有this无法拿到虚表，就无法实现多态，因此不能设置为虚函数（虚表概念下文详细介绍。）

2.1.2 实现动态多态的两个必须的重要条件：

多态是一个继承关系（对于基类与派生类来说）的下的类对象，去调用同一虚函数，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。所以多态的实现由两个条件：

• 必须是基类的指针或者引用去调用虚函数
• 被调用的函数必须是虚函数。

其次多态不仅仅发生在派生类与基类之间，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。

class Person { public: virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; } }; class Student : public Person { public: virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; } }; class Soldier : public Person { public: virtual void BuyTicket() { cout << "买票-优先" << endl; } }; void Func(Person* ptr) { ptr->BuyTicket(); } 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; }

说明：要实现多态效果，

第一必须是基类的指针或引用去调用虚函数，因为只有基类的指针或引用才能既指向基类对象、又能指向派生类对象。在前文的继承中我们提到过如果派生类的对象赋值给基类的指针或引用会发生切片，而派生类指针或引用不能传给基类。所以只有基类的指针或者引用才能既接收基类的对象传值又接收派生类传值。因此虚函数的参数列表使用基类的指针或者引用作为形参。

第二派生类必须对基类的虚函数函数体进行重写/覆盖，重写或者覆盖了，对于同一个虚函数，派生类与基类有不同的函数体，多态的不同形态效果才能达到。

那么虚函数的重写/覆盖又是什么呢，有什么条件？什么是同一的虚函数呢？

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、参数列表完全相同)，称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。

注意：

1.所谓的参数列表相同是针对虚函数的形参的类型、个数而言的，这就意味着只要虚函数形参类型，个数一致，参数列表就是的一致的。但是C++对于缺省值是否相同不做规定，缺省值不同，参数列表依然可以达成一致，同时形参的名称也不做要求，可以起一样的名称。

2.在重写基类虚函数时，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，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，也可以构成重写，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。所以这里需要明确的是派生类的虚函数可以不加virtual,但是不推荐不加。

class Person { public: virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; } }; class Student : public Person { public: void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; } }; void Func(Person* ptr) { ptr->BuyTicket(); } int main() { Person ps; Student st; Func(&ps); Func(&st); return 0; }

2.1.4 动态多态场景的一个选择题

以下程序输出结果是什么（）
A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确

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; }

答案 B

这一题涉及知识较为复杂，我们依次来梳理一下。

首先针对func函数，A与B中func有virtual修饰、参数列表（C++对缺省值不做规定）相同、返回值相同、派生类中的func对A中func的实现进行了重写，所以A、B中的func满足多态的基本条件。

接下来，是使用B*类型的指针来调用test函数（这一步涉及的有点多，详细说明一下）

首先是派生类指针调用test（不满足条件），光看这一步是不构成多态的。

接下来test函数是继承自A的函数，值得说明的是继承这一概念是相当形象的说法，实际上这里继承影响的是编译器查找规则，因此在B中搜寻test无果后，编译器就会去A中去搜寻test函数进行调用。

所以问题来了，编译器在A中找到了test实现并调用时，这里参数中传递的this指针是什么类型的？

有人可能会觉得是B*的，因为我们是B*类型的指针p调用的test。

但正如前面，我们所介绍的，继承实际上只是影响的编译器的查找规则，编译器实际上还是在A中找到test的实现，并进行调用的，因此，这里实际传递的A*this。

那么tets中的func()就是通过A*this来调用的（this->func()）,父类指针调用虚函数，虚函数又满足相关条件，我们惊奇的发现这里发生了多态。

既然发生了多态，那么就与类型无关了，传哪个对象，就调用哪个对象的虚函数。

但是这里要介绍的是C++中重写的本质实质上是重写函数的实现，根据“绝不重新定义继承而来的缺省参数值”（《Effective》C++,侯捷，第37条款）这一条款，派生类的虚函数实际上是由两部分组成的，函数声明部分是采用基类的声明，具体实现采用派生类中重写的部分

因此最终打印时，打印B->,val采用基类的缺省值1，所以最终结果就是B->1,本体选B。

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，可以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（返回值是具有继承关系、父子关系的），称为协变。（实际上返回值还是可以视作相同，派生类继承自基类，可以视作特殊化基类，）

协变的实际意义并不大，所以我们了解一下即可。

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()//返回值B*是A的派生类的指针 { 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; }

如上诉代码中虚函数返回值B*是继承自A的指针，这样B可以视作特殊化的A,返回值某种程度上还是相同的。

class A {}; class B {}； class Person { public: virtual A* BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; return nullptr; } }; class Student : public Person { public: virtual B* BuyTicket()//返回值B与A不存在继承关系，因此返回值不同 //BuyTicket()不会发生多态 { 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

基类的析构函数如果是虚函数，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，编译后底层上指令上析构函数的名称统一处理成destructor，所以基类的析构函数加了vialtual修饰，派生类的析构函数就构成重写。

那么为什么编译器会这样设计呢？

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; }

上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(delete底层就是调用析构+operator delete 释放空间)，没有调用B的析构函数，这样如果B中自己声明的变量没有释放，就会导致内存泄漏问题。

所以为了避免上述的情况，在底层编译器对于基类与派生类的析构函数会统一处理成destrcutor,这样只要基类的析构函数是虚函数，派生类的析构函数就是析构函数。这样对于上面情况，delete p2就会调用~B（），所以在实际使用中推荐基类析构设计成虚函数

注意：这个问题面试中经常考察，大家一定要结合类似上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。

2.1.6 override 和 final关键字

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，比如函数名写错参数写错等导致无法构成重载，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，可以帮助用户检测是否重写。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。

// error C3668: “Benz::Drive”: 包含重写说明符“override”的方法不会重写任何基类方法 class Car { public: virtual void Dirve() {} }; class Benz :public Car { public: virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; } }; int main() { return 0; } // 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 {} }; 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。

抽象类与其派生类的关系就好比生物学上的种类划分系统，比如猫与狗同属于动物这个抽象概念之下，此处“动物”这个概念就好比抽象类，像动物这样的概念只是我们抽象出来的，现实中不存在具体的对照，因此这个抽象类自然没有必要能实例化对象。

而动物具有一些共性的行为，比如它们都可以叫、觅食等，但是落实到具体的动物上又有各自的特性，因此这些共性的行为我们就可以设计成抽象类中的纯虚函数，它们不需要具体的定义实现，因此具体的类比如动物下的猫、狗它们的叫、觅食具有自己本身的特征，需要自己专门实现自己的，

我们的纯虚函数也没必要定义实现，它只是表明具有哪些行为（方法）。

class Car//抽象的车的概念 { public: virtual void Drive() = 0;//共性的方法：驾驶 }; class Benz :public Car//具体的车的品牌 { public: virtual void Drive()//不同车的驾驶体验不同 { 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; Car* pBenz = new Benz; pBenz->Drive(); Car* pBMW = new BMW; pBMW->Drive(); return 0; }

4. 动态多态的原理

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（）
A. 编译报错 B. 运行报错 C. 8 D. 12

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virtual，f代表function)。这个指针是一个函数指针数组指针，这个指针指向虚函数表，虚函数表中存储虚函数的指针（地址）。

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。

4.2 动态多态的原理

4.2.1 动态多态是如何实现的

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::BuyTicket，ptr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。

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

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

我们已经知道动态多态是通过虚函数表来实现的，那虚函数表具体是如何构成的呢？不同虚函数表之间又有什么关系呢？

class Base { public: virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; } virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; } void func5() { cout << "Base::func5" << endl; } protected: int a = 1; }; class Derive : public Base { public: // 重写基类的func1 virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; } virtual void func3() { cout << "Derive::func1" << endl; } void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; } protected: int b = 2; }; int main() { Base b1; Base b2; Derive d; return 0;

• 同一类型的对象共用同一个虚函数表，这个虚函数表为该类型所有的对象共用，该类型的所有虚函数的地址都存储在该虚函数表中。不同的类型的虚函数表相互独立

对于同一类型的对象来说，所拥有的虚函数都是一样的，因此每个对象就使用一个虚函数表存储相同的信息浪费不必要的资源，所以使用同一类型定义的对象的虚表指针实际上指向的同一块虚表函数，这个虚表存储着该类型的所有虚函数。而不同的类型的虚表函数就不同了，相互独立。

• 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，继承自基类的虚函数表指针现在就是整个派生类的虚表指针，指向派生类的虚函数表。要注意的这里继承下来的基类部分虚函数表指针和基类对象的虚函数表指针不是同一个，两者已经没有关系，相互独立，就像基类对象的成员和派生类对象中的基类对象成员也独立的。

• 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。

•需要注意的是虽然虚函数表相互独立，但是如果派生类没有重写基类的虚函数，那么派生类的虚函数表中存储的继承自基类的虚函数的地址还是原基类虚函数的地址；如果派生类中重写了基类的虚函数，派生类的虚函数表中存储的对应基类虚函数地址就会被覆盖成派生类重写的虚函数地址。

class Base { public: virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; } virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; } void func5() { cout << "Base::func5" << endl; } protected: int a = 1; }; class Derive : public Base { public: // 重写基类的func1 virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; } virtual void func3() { cout << "Derive::func1" << endl; } void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; } protected: int b = 2; }; int main() { Base b1; Base b2; Derive d; return 0;

标这里Derive中没有看到func3函数，这个vs监视窗口看不到，可以通过内存窗口查看题

对应func1重写，那么派生类中重写的函数地址就会覆盖继承原基类中函数的地址，如果不重写，我们发现上文中的func2的地址就没有被覆盖，还是原基类中函数的地址。

• 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个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。发现虚表地址与代码段地址最接近，vs下虚表是存储代码段(常量区)

int main() { int i = 0; static int j = 1; int* p1 = new int; const char* p2 = "xxxxxxxx"; printf("栈:%p\n", &i); printf("静态区:%p\n", &j); printf("堆:%p\n", p1); printf("常量区:%p\n", p2); Base b; Derive d; Base* p3 = &b; Derive* p4 = &d; printf("Person虚表地址:%p\n", *(int*)p3);//强制转换成int*可以看虚表中存储函数前四个字节 printf("Student虚表地址:%p\n", *(int*)p4);//的地址进而观察到虚表存储地址 printf("虚函数地址:%p\n", &Base::func1); printf("普通函数地址:%p\n", &Base::func5); return 0; } 运行结果： 栈 : 010FF954 静态区 : 0071D000 堆 : 0126D740 常量区 : 0071ABA4 Person虚表地址 : 0071AB44 Student虚表地址 : 0071AB84 虚函数地址 : 00711488 普通函数地址 : 007114BF