一、多态的概念
多态：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 。
1. 多态的定义及实现
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。
多态构成的条件： 前提：继承
- 必须通过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，且派生类必须对基类的虚函数进行重写
class Person
{
public:
//虚函数
virtual void BuyTicket()
{
cout << "全票" << endl;
}
};
//继承
class Child : public Person
{
public:
//重写虚函数
virtual void BuyTicket()
{
cout << "半价" << endl;
}
};
void fun(Person &p)
{
//基类引用调用虚函数
p.BuyTicket();
}
void test()
{
Person p;
fun(p);
Child child;
fun(child);
}
虚函数：
即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。
//虚函数
virtual void BuyTicket()
{
cout << "全票" << endl;
}
虚函数的重写
- 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 Person
{
public:
//虚函数
virtual void BuyTicket()
{
cout << "全票" << endl;
}
};
//继承
class Child : public Person
{
public:
//重写虚函数
virtual void BuyTicket()
{
cout << "半价" << endl;
}
};
- 虚函数重写的例外，协变。基类与派生类虚函数返回值类型不同，但是必须是有继承关系的指针或者引用（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）。
class A
{};
class B : public A
{};
class Person
{
public:
//虚函数
virtual A* fun()
{
return new A;
}
};
//继承
class Child : public Person
{
public:
//重写虚函数
virtual B* fun()
{
return new B;
}
};
- 析构函数的重写。编译后析构函数的名称统一处理成destructor，在底层函数名相同。一般把析构函数定义为虚函数，产生多态行为，保证资源被正常释放。
class Person
{
public:
virtual ~Person()
{
cout << "~Person" << endl;
}
};
//继承
class Child : public Person
{
public:
virtual ~Child()
{
cout << "~Child" << endl;
}
};
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。
class Person
{
public:
virtual A* fun()
{
return new A;
}
};
class Child : public Person
{
public:
//不规范
/*virtual */B* fun()
{
return new B;
}
};
C++11 override和final
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，强制重写。体现接口继承，不继承实现，需要重写。
class Person
{
public:
virtual void buyTicket()
{
cout << "全票" << endl;
}
};
class Children : public Person
{
public:
virtual void buyTicket() override
{
cout << "半价" << endl;
}
};
比如：函数名出错，不能重写虚函数，编译时就会报错
final
- final修饰虚函数，虚函数不能被重写，体现实现继承。
- final修饰类，这个类不能被继承
重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比
二、抽象类
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。
//抽象类：不能实例化
class Car
{
public:
//纯虚函数
virtual void carPrint() = 0;
};
class Benz : public Car
{
public:
//重写
virtual void carPrint()
{
cout << "Benz" << endl;
}
};
class BMW : public Car
{
public:
//重写
virtual void carPrint()
{
cout << "BMW" << endl;
}
};
void fun(Car &car)
{
car.carPrint();
}
void test()
{
Benz benz;
fun(benz);
BMW bmw;
fun(bmw);
}
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。
三、多态的原理
1.虚函数表
sizeof(Base)是多少？
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1()" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
我们发现b对象大小是8bytes，除了_b成员之外，还多一个__vfptr，它是一个指针。对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针，一个含有虚函数的类中都至少都有一个虚函数表指针，因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表。虚表只存放虚函数的指针。
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;
};
void test()
{
Base b;
Derive d;
}
我们观察发现：
- 派生类对象d中也有一个虚表指针。子类会继承父类的虚表。
- 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。
- 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。
- 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。
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。
虚函数存在哪？虚表存在哪？
粗略的验证：
void test()
{
int a = 10; //栈
int *b = new int; //堆
static int c = 1; //数据段
char *d = "123"; //文字常量区
Derive der;
typedef void(*ptr)();
//解析得到虚表：*(int*)(&d)--此时是int*
//强转为虚表地址：(ptr*)(*(int*)(&d))
ptr* p = (ptr*)(*(int*)(&der));
cout << "栈：" << &a << endl;
cout << "堆：" << b << endl;
cout << "数据段：" << &c << endl;
printf("代码段：%p\n", d);
cout << "虚表：" << p << endl;
}
进行粗略的验证，发现虚表所在的位置和代码段的位置相近。
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，只是他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。虚表存在代码段。
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;
}
};
观察红色的箭头我们发现，p指向per对象时，p.BuyTicket在per的虚表中找到的虚函数是Person::BuyTicket。
观察绿色的箭头我们发现，p指向stu对象时，p.BuyTicket在stu的需表中找到的虚函数是Student::BuyTicket。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。
多态场景的过程：
1.从对象中获取虚表指针
2.通过虚表指针找到虚表
3.从虚表中找到虚函数的地址
4.执行函数的指令
注意：
满足多态以后的函数调用，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。
3.动态绑定与静态绑定
-
静态绑定又称为前期绑定(早绑定)，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、模板
-
动态绑定又称后期绑定(晚绑定)，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。
四、单继承和多继承关系的虚函数表
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;
};
观察监视窗口，我们发现看不见fun3和fun4。这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数。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(*ptr)();
void printTable(ptr Table[])
{
cout << "虚表地址" << endl;
for (int i = 0; Table[i] != nullptr; i++)
{
Table[i]();
}
}
结果：
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;
};
观察监视窗口，我们发现d有两个虚表。d中的Base1和Base2中的fun1都被重写了，但是两个fun1的函数地址不同，是因为它们是跳转值，通过跳转后，拿到fun1的地址。
我们发现看不见fun3。下面通过打印来看看。
观察打印结果可以看出：多继承中，子类新定义的虚函数，其函数指针存放在第一个虚表中。 虚表的个数和直接父类的个数一样。