关于【多态】这些你都了解吗？

致前行路上的人：

                        要努力，但不要着急，繁花锦簇，硕果累累，都需要过程！

1.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。

2.多态的定义及实现

2.1多态构成的必要条件

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。

那么在继承中要构成多态还有两个条件：
1. 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
2. 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

2.2虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数

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

2.3虚函数的重写

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。

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

注：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

2.4多态的实现

class A
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "A:void func" << endl;
	}
};
class B : public A
{
public:
	virtual void func()
	{
		cout << "B:void func" << endl;
	}
};
void Test(A& a)
{
	a.func();
}

2.5虚函数重写的两个特例

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。

class A 
{
public:
};
class B : public A 
{
public:
};
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。

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

造成内存泄漏

解决方案：基类析构函数之前加上virtual,构成多态

2.6C++11中的override和final

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。

1. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

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

2.修饰一个类，标明该类不能够被继承

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

2. 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 A	
{
public:
	virtual void fun(int) 
	{
		cout << "void fun()" << endl;
	}
};
class B : public A
{
public:
	virtual void fun()	override
	{
		cout << "void fun()" << endl;
	}
};

2.7重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

3.抽象类

3.1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。

class Car
{
public:
	virtual void Drive() = 0
	{}
};

 

重写纯虚函数，派生类才能实例化出对象 

class Car
{
public:
	virtual void Drive() = 0
	{}
};
class BMW :public Car
{
public:
	virtual void Drive()
	{
		cout << "BMW-操控" << endl;
	}
};

3.2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。

4.多态的原理

4.1虚函数表

sizeof(Base)是多少？

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
};
int main()
{
	cout << sizeof(Base) << endl;
	return 0;
}

解析：

类里面有一个int类型的成员变量，占四个字节，还有一个虚函数，虚函数的地址保存在虚函数表中，所以有一个指向虚函数表的指针，指针占四个字节，一共八个字节

针对上面的代码我们做出以下改造：

1.我们增加一个派生类Derive去继承Base
2.Derive中重写Func1

3.Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3

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;
};

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。

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.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，只是它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。那么虚表存在哪的呢？

 通过验证虚表也是存在在代码段/常量区的

4.2多态的原理

class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};
void Func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}
int main()
{
	Person p;
	Func(p);
	Student s;
	Func(s);
	return 0;
}

1. 观察上图的红色箭头我们看到，p.BuyTicket在p的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket。
2. 观察上图的橙色箭头我们看到，p是指向s对象时，p.BuyTicket在s的虚表中找到虚函数是Student::BuyTicket。

3. 这样就实现出了不同对象去完成同一行为时，展现出不同的形态。

4.多态的函数调用，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。

4.3静态绑定与动态绑定

1. 静态绑定，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，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。

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;
};

5.单继承和多继承关系的虚函数表

需要注意的是在单继承和多继承关系中，下面我们去关注的是派生类对象的虚表模型，因为基类的虚表模型前面我们已经看过了，没什么需要特别研究的

5.1单继承中的虚函数表

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;
};

 观察上图中的监视窗口中我们发现看不见func3和func4。这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数，也可以认为是他的一个小bug。那么我们如何查看d的虚表呢？下面我们使用代码打印出虚表中的函数。

typedef void(*VFT)();
void PrintVFTable(VFT vft[])
{
	for (int i = 0; vft[i] != nullptr; i++)
	{
		printf("[%d]:%p->", i, vft[i]);
		vft[i]();
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	//取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，前面我们说了虚函数表本质是一个存虚函数
	//指针的指针数组，这个数组最后面放了一个nullptr
	// 1.先取b的地址，强转成一个void**的指针
	// 2.再解引用取值，就取到了b对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针
	// 3.再强转成VFPTR*，因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。
	// 4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表
	// 5.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。
	PrintVFTable((VFT*)*(void**)&b);
	PrintVFTable((VFT*)*(void**)&d);

	return 0;		

}

 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。

5.2多继承中的虚函数表

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(*VFT)();
void PrintVFTable(VFT vft[])
{
	for (int i = 0; vft[i] != nullptr; i++)
	{
		printf("[%d]:%p->", i, vft[i]);
		vft[i]();
	}
	cout << endl;
}

 观察上图可以看出：多继承派生类的未重写的虚函数放在第一个继承基类部分的虚函数表中

6.继承和多态常见的面试题

6.1概念考察

1. 下面哪种面向对象的方法可以让你变得富有(A )
A: 继承 B: 封装 C: 多态 D: 抽象

2. (D )是面向对象程序设计语言中的一种机制。这种机制实现了方法的定义与具体的对象无关，
而对方法的调用则可以关联于具体的对象。
A: 继承 B: 模板 C: 对象的自身引用 D: 动态绑定

3. 面向对象设计中的继承和组合，下面说法错误的是？（C）
A：继承允许我们覆盖重写父类的实现细节，父类的实现对于子类是可见的，是一种静态复用，也称为白盒复用
B：组合的对象不需要关心各自的实现细节，之间的关系是在运行时候才确定的，是一种动态复用，也称为黑盒复用
C：优先使用继承，而不是组合，是面向对象设计的第二原则
D：继承可以使子类能自动继承父类的接口，但在设计模式中认为这是一种破坏了父类的封装性的表现

解析：

继承允许你根据基类的实现来定义派生类的实现。这种通过生成派生类的复用通常被称为白箱复用(white-box reuse)。术语“白箱”是相对可视性而言：在继承方式中，基类的内部细节对子类可见 。继承一定程度破坏了基类的封装，基类的改变，对派生类有很大的影响。派生类和基类间的依赖关系很强，耦合度高。

对象组合是类继承之外的另一种复用选择。新的更复杂的功能可以通过组装或组合对象来获得。对象组合要求被组合的对象具有良好定义的接口。这种复用风格被称为黑箱复用(black-box reuse)，因为对象的内部细节是不可见的。对象只以“黑箱”的形式出现。组合类之间没有很强的依赖关系，耦合度低。优先使用对象组合有助于你保持每个类被封装。
实际尽量多去用组合。组合的耦合度低，代码维护性好。不过继承也有用武之地的，有些关系就适合继承那就用继承，另外要实现多态，也必须要继承。类之间的关系可以用继承，可以用组合，就用组合。

4. 以下关于纯虚函数的说法,正确的是(A )
A：声明纯虚函数的类不能实例化对象 B：声明纯虚函数的类是虚基类
C：子类必须实现基类的纯虚函数 D：纯虚函数必须是空函数

5. 关于虚函数的描述正确的是( B)
A：派生类的虚函数与基类的虚函数具有不同的参数个数和类型 B：内联函数不能是虚函数
C：派生类必须重新定义基类的虚函数 D：虚函数可以是一个static型的函数

解析：

D:

 6. 关于虚表说法正确的是（ D）
A：一个类只能有一张虚表
B：基类中有虚函数，如果子类中没有重写基类的虚函数，此时子类与基类共用同一张虚表
C：虚表是在运行期间动态生成的
D：一个类的不同对象共享该类的虚表

解析：

A:多继承的类中可能有多张虚表

B:

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。

C:虚表是在编译期间生成的，在运行期间是将虚函数的地址保存到虚表中

7. 假设A类中有虚函数，B继承自A，B重写A中的虚函数，也没有定义任何虚函数，则（D ）
A：A类对象的前4个字节存储虚表地址，B类对象前4个字节不是虚表地址
B：A类对象和B类对象前4个字节存储的都是虚基表的地址
C：A类对象和B类对象前4个字节存储的虚表地址相同
D：A类和B类虚表中虚函数个数相同，但A类和B类使用的不是同一张虚表

8. 下面程序输出结果是什么? （）

class A {
public:
	A(const char* s) { cout << s << endl; }
	~A() {}
};
class B :virtual public A
{
public:
	B(const const char* s1, const char* s2) :A(s1) { cout << s2 << endl; }
};
class C :virtual public A
{
public:
	C(const char* s1, const char* s2) :A(s1) { cout << s2 << endl; }
};
class D :public B, public C
{
public:
	D(const char* s1, const char* s2, const char* s3, const char* s4) :B(s1, s2), C(s1, s3), A(s1)
	{
		cout << s4 << endl;
	}
};
int main()
{
	D* p = new D("class A", "class B", "class C", "class D");
	delete p;
	return 0;
}

A：class A class B class C class D B：class D class B class C class A
C：class D class C class B class A D：class A class C class B class D

解析：

菱形继承，按照声明的次序进行初始化，选:A

9.多继承中指针偏移问题？下面说法正确的是( )

class Base1 
{
public:
	int _b1;
};
class Base2 
{
public:
	int _b2; 
};
class Derive : public Base1, public Base2 
{ 
public: 
	int _d; 
};
int main() 
{
	Derive d;
	Base1* p1 = &d;
	Base2* p2 = &d;
	Derive* p3 = &d;
	return 0;
}

A：p1 == p2 == p3 B：p1 < p2 < p3 C：p1 == p3 != p2 D：p1 != p2 != p3

解析：

选：C

10.以下程序输出的是什么？

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;
 }

 A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确

解析：

1.new一个子类对象指针，2.调用子类对象中的test函数，3.调用子类中test函数中的func函数，4.子类也会继承父类的缺省值

——>选B

6.2问答题：

1. 什么是多态？

多态是在不同继承关系中，不同对象调用同一函数产生不同的行为，构成多态必须满足两个条件，必须通过基类的指针或引用调用虚函数，被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须重写基类的虚函数，多态一般分为两种，一种是静态多态，一种是动态多态，静态多态是在编译期间就已经确定好了程序的行为，如函数重载，动态多态是在程序运行起来之后根据不同的对象到虚函数表中寻找调用对应的虚函数

2. 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？

重载是在同一作用域中，函数名相同，函数参数列表不同（参数个数，参数类型，参数顺序）

重写（覆盖）：两个函数分别在基类和派生类的作用域中，函数名，参数，返回值必须相同（除协变），两个函数必须是虚函数

重定义（隐藏）：两个函数分别在基类和派生类的作用域中，函数名，不构成重写就是重定义

3. 多态的实现原理？

多态分为两种，静态多态和动态多态，静态多态是在编译期间就已经确定好了程序的行为，寄存器直接到符号表当中找到函数地址，进行调用，动态多态是在程序运行起来之后根据不同的对象寄存器到虚函数表中寻找地址。然后通过地址调用对应的虚函数

4. 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。

5. 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。

6. 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。

7. 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。

8. 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。

9. 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。

10. C++菱形继承的问题？虚继承的原理？

存在的问题：存在数据冗余和二义性的问题，原理：中间的两个类对应各自保存了一个虚基表指针，该指针指向虚基表，虚基表中保存的是到基类的偏移量，访问基类的成员是用偏移量寻找

11. 什么是抽象类？抽象类的作用？

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。