C++类——多态（概念、实现、理论基础、实现原理、条件与作用）

多态的概念

多态： 同样的调用语句有多种不同的表现形态，即根据实际的对象类型决定函数调用语句的具体调用目标。

如果父类指针(引用)指向的是父类对象则调用父类中定义的函数。
如果父类指针(引用)指向的是子类对象则调用子类中定义的重写函数。

多态的实现

通过virtual关键字，来修饰成员函数，则该成员函数为虚函数。

虚函数允许派生类重新定义成员函数，而派生类重新定义基类的做法称为override，或重写。

虚函数的作用就是实现多态，即以共同的方法，对不同的对象采取不同的策略。

虚函数的定义：虚函数只能是类的成员函数，而且不能是静态的。在成员函数定义或声明前加上关键字virtual，即定义了虚函数：

class 类名
{
virtual 返回类型 函数名(形式参数列表); //虚函数
};

注意：

当在派生类中定义了一个同名的成员函数时，只要该成员函数的参数个数、参数类型、返回类型与基类中同名的虚函数完全一样，则派生类的这个成员函数无论是否添加virtual关键字，它都将成为一个虚函数。
一般为了便于阅读，派生类的虚函数也会添加上virtual关键字。
利用虚函数，可在基类和派生类中使用相同的函数名定义函数的不同实现，从而实现“ 一个接口，多种方式” 。

多态实现的理论基础

静态联编和动态联编：

联编：又称为绑定，即将模块或函数合并在一起生成可执行代码的处理过程，同时对每个模块或者函数分配内存地址，并且对外部访问也分配正确的内存地址。
静态联编：在编译阶段就将函数实现和函数调用绑定起来。又称为早绑定。它对函数的选择是基于指向对象的指针或引用本身的类型。

动态联编：在程序运行的时候才进行函数实现和函数调用的绑定称为动态联编。又称为晚绑定。

注意：

C语言中，所有的联编都是静态联编。
C++中一般情况下的联编也是静态联编。一旦涉及到多态和虚函数就必须使用动态联编。

多态的实现原理

理论基础：

当编译器编译含有虚函数的类时，将会为这个类建立一个虚函数表。

虚函数表是一个存储类成员函数指针的数据结构，相当于一个指针数组，存放每个虚函数的入口地址。

并且，编译器会为该类添加一个额外的数据成员，这个数据成员是一个指向虚函数表的指针，通常称为vptr。

实现原理:

使用基类的指针或引用调用函数时，如果该函数为虚函数，编译器找到指针或引用指向的对象的vptr指针，并根据其所指的虚函数表找到函数并调用。查找和调用都是在运行时进行的，即动态绑定。

如果该函数不是虚函数，则编译器可以直接通过指针的类型确定被调用的函数，并进行绑定，即静态绑定。

多态成立的条件

1. 要有继承。
2. 要有函数重写。
3. 要有基类指针(引用)指向派生类对象。

多态的作用

C++的三大特性：

封装：突破了C语言函数的概念，封装可以隐藏实现细节，使得代码模块化。
继承：继承可以扩展已存在的代码模块(类)，达到代码重用的目的。
多态：多态实现了接口重用，使得可以使用未来，即当前的框架不需要改变也可以使用后来的代码。

#include<iostream>

using namespace std;

class Base
{
public:
    virtual void print()
    {
        cout << "调用基类的print方法" << endl;
    }
};

class Derived : public Base
{
public:
    //无论是否添加virtual关键字，它都是一个虚函数
    //参数个数、参数类型、返回类型、函数名都与基类中的print函数一直。 重写
    //一般情况下，为了强调为虚函数，还是会添加上关键字virtual
    virtual void print()
    {
        cout << "调用派生类的print方法" << endl;
    }
};

//后定义的派生类
class Derived1 : public Base
{
public:
    virtual void print()
    {
        cout << "调用派生类D1的print方法" << endl;
    }
};

//先定义的函数
void print1(Base &b)
{
    b.print();
}

int main()
{
    Base b1;
    Derived d1;
    b1.print(); //调用基类的print方法
    d1.print();  //调用派生类的print方法
    d1.Base::print(); //调用基类的print方法

    ////未使用虚函数时，无法实现多态，都调用的是基类的print方法
    //Base *pb = &b1;
    //pb->print(); //调用基类的print方法
    //pb = &d1;
    //pb->print(); //调用基类的print方法

    //使用虚函数时，可以实现多态，会根据定义的指针指向的对象的类型，去调用不同的类中的同名方法
    //一个接口，多种实现
    Base *pb = &b1;
    pb->print(); //调用基类的print方法
    pb = &d1;
    pb->print(); //调用派生类的print方法

    //使用基类的对象的引用作为参数，根据传递的实参的类型，去选择调用的函数。
    print1(b1); 
    print1(d1);

    //可以使用未来
    Derived1 d2;
    print1(d2);
    return 0;
}