【C++杂货铺】多态-编程知识

🌈前言🌈

📁多态的概念

📁 多态的定义及实现

📂 多态的构成条件

📂 虚函数

📂 虚函数重写

📂 C++11 override 和 final

📂 重载，覆盖（重写），隐藏（重定义）的对比

📁 抽象类

📂 概念

📂 接口继承和实现继承

📁 多态的原理（重点）

📂 虚函数表

📂 多态的原理

📂 动态绑定和静态绑定

📁 单继承和多继承关系中的虚表

📂 单继承中的虚函数表

📂 多继承中的虚函数表

📂 菱形继承的虚函数表（了解）

📂 菱形虚拟继承的虚函数表（了解）

📁 面试问题

📁 总结

🌈前言🌈

欢迎观看本期【C++杂货铺】，本期内容将讲解C++作为面向对象语言的三大特性之一的多态，其中包含了多态的概念，定义及其实现；什么是抽象类；重点讲解多态的原理，以及应用，分别是是单继承和多继承关系中的虚函数表；此外讲解面试问题。

面向对象语言有三大特性：封装，继承，多态，如果想要了解另外两个特性，欢迎阅览以下文章

【C++杂货铺】详解类和对象 [上]-CSDN博客

【C++杂货铺】继承-CSDN博客

📁多态的概念

多态通俗来说，就是多种形态，具体点是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会好惨上不同的状态。

举个例子：买票这个行为，普通人买票时，是全价票；学生买票时，是半价票；军人买票是优先买票。

在C++中，多态是在不同继承关系的类对象，去调用同一个函数，产生不同的行为。比如Student继承了Person。Person对象买票是全价，Student对象买票是半价。

📁 多态的定义及实现

📂 多态的构成条件

1. 必须通过基类的指针或引用去调用虚函数。

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。

📂 虚函数

被virtual修饰的类成员函数被称为虚函数。

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

📂 虚函数重写

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，函数名字，参数列表完全相同），成派生类的虚函数和从西饿了基类的虚函数。

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

虚函数重写的两个例外：

1. 协变（基类与派生类虚函数返回值不同）

class A{};class B : public A 
{};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了，无论是否+virtual，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为destructor。

class Person {
public:virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};
class Student : public Person {
public:virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
// 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()
{Person* p1 = new Person;Person* p2 = new Student;delete p1;delete p2;return 0;
}

📂 C++11 override 和 final

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，可能会导致函数名字字母次序写反而无法构成重载，而这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运行期间时没有得到预期处理结果才来devbug会得不偿失，因此，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，表示该虚函数不能被重写。

class Car
{
public:virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:virtual void Drive() {cout << "Benz-舒适" << 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 Car{
public:virtual void Drive(){}
};
class Benz :public Car {
public:virtual void Drive() override {cout << "Benz-舒适" << endl;}
};

📂 重载，覆盖（重写），隐藏（重定义）的对比

📁 抽象类

📂 概念

在虚函数的后面写上=0，则这个函数称为纯虚函数，包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫做接口类），抽象类不能实例化对象。派生类继承后也不能实例化出对象，只能重写纯虚函数，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了接口继承。

class Car
{
public:virtual void Drive() = 0;
};
class Benz :public Car
{
public:virtual void Drive(){cout << "Benz-舒适" << endl;}
};
class BMW :public Car
{
public:virtual void Drive(){cout << "BMW-操控" << endl;}
};
void Test()
{Car* pBenz = new Benz;pBenz->Drive();Car* pBMW = new BMW;pBMW->Drive();
}

📂 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，不要把函数定义为虚函数。

📁 多态的原理（重点）

📂 虚函数表

// 这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？
class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}
private:int _b = 1;
};

通过调试，我们发现Base对象是8字节，除了_b成员，还多了一个_vfptr放在对象的前面（注意有些平台可能放到对象的最后面，这个与平台有关），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 )。一个含有虚函数的类中都至少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，虚函数表也称作虚表。那么派生类中这个表中放了些什么。

// 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;
};
int main()
{Base b;Derive d;return 0;
}

通过观察和调试，我们发现了以下几点问题：

1. 派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象有两部分构成，一部分是基类继承下来的成员，也就是虚表指针存在的部分；另一部分是自己的成员。

2. 基类b对象和派生类d对象的虚表不一样，这里我们发下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做覆盖，覆盖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也继承了下来，但不是虚函数，所以不会放到虚表中。

4. 虚函数表本质上是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况下这个数组最后面放一个nullptr。

5. 总结一下，派生类虚标的生成：a. 先将基类的虚表内容拷贝一份到派生类虚表；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. 派生类自己新添加的虚函数按其在派生类的声明次序添加到派生类虚表的最后。

6. 虚表存在哪里？和普通函数一样都是存在在代码段，只是它的指针又存到了虚表中；虚函数表存的是虚函数指针，不是虚函数，

📂 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 Mike;Func(Mike);Student Johnson;Func(Johnson);return 0;
}

1. 观察下图红色箭头我们可以看到，p是指向mike对象时，p->BuyTicket在mike的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket。

2. 观察下图蓝色箭头我们可以看到，p是指向johnson对象时，p->BuyTicket在johnson的续保中找到虚函数是Student::ButTicket。

这样就实现了不同对象去完成同一个行为时，展现出不同形态。

3. 反过来思考我们为什么要达到多态，有两个条件：a. 虚函数的重写； b. 对象的指针或引用调用虚函数。

4. 通过汇编代码分析，看出满足多态条件后的函数调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象的虚表找，再调用的；不满足多态的函数调用是编译期间确定好的。

void Func(Person* p)
{p->BuyTicket();
}
int main()
{Person mike;Func(&mike);mike.BuyTicket();return 0;
}
// 以下汇编代码中跟你这个问题不相关的都被去掉了
void Func(Person* p)
{
...p->BuyTicket();
// p中存的是mike对象的指针，将p移动到eax中
001940DE  mov         eax,dword ptr [p]
// [eax]就是取eax值指向的内容，这里相当于把mike对象头4个字节(虚表指针)移动到了edx
001940E1  mov         edx,dword ptr [eax]
// [edx]就是取edx值指向的内容，这里相当于把虚表中的头4字节存的虚函数指针移动到了eax
00B823EE  mov         eax,dword ptr [edx]
// call eax中存虚函数的指针。这里可以看出满足多态的调用，不是在编译时确定的，是运行起来
以后到对象的中取找的。
001940EA  call        eax  
00头1940EC  cmp         esi,esp  
}
int main()
{
... 
// 首先BuyTicket虽然是虚函数，但是mike是对象，不满足多态的条件，所以这里是普通函数的调
用转换成地址时，是在编译时已经从符号表确认了函数的地址，直接call 地址mike.BuyTicket();
00195182  lea         ecx,[mike]
00195185  call        Person::BuyTicket (01914F6h)  
... 
}

📂 动态绑定和静态绑定

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。例如，函数重载。

动态绑定也称后期绑定（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。

📁 单继承和多继承关系中的虚表

📂 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;
};

监视窗口隐藏了派生类中func3 和 func4 两个虚函数，可以通过使用diamante打印出虚表中的函数。

typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i){printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);VFPTR f = vTable[i];f();}cout << endl;
}
int main()
{Base b;Derive d;// 思路：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int*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。VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);PrintVTable(vTableb);VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);PrintVTable(vTabled);return 0;
}

📂 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(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i){printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);VFPTR f = vTable[i];f();}cout << endl;
}
int main()
{Derive d;VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);PrintVTable(vTableb1);VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d+sizeof(Base1)));PrintVTable(vTableb2);return 0;
}

📂 菱形继承的虚函数表（了解）

菱形继承虚函数表的对象模型和多继承是相同的，但是菱形继承造成了数据冗余和二义性问题，所以这里就不做讲解。

📂 菱形虚拟继承的虚函数表（了解）

菱形虚继承中的虚函数表涉及到虚基表指针以及虚基表，虚基表指针指向虚基表，虚基表存放了虚表指针和公共类的偏移量，通过偏移量计算虚表指针和公共类的偏移量，解决了数据冗余和二义性，以及切片等问题。

D中的虚函数会放到第一个虚函数表中，B的虚函数放到B的虚函数表中，C的虚函数放到C的虚函数表中，B和C的基类A的虚函数提取出来，单独创建一个虚函数表，存放共享类A的虚函数。

理论上来说派生类不会有自己的虚函数表，派生类的虚函数会放到继承下来的基类的虚函数表中；但如果是上述菱形虚拟继承中的虚函数表，派生类会有自己的虚函数表。

📁 面试问题

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

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

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

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? ( A )

#include<iostream>
using namespace std;
class A{
public:A(char *s) { cout<<s<<endl; }~A(){}
};
class B:virtual public A
{
public:B(char *s1,char*s2):A(s1) { cout<<s2<<endl; }
};
class C:virtual public A
{
public:C(char *s1,char*s2):A(s1) { cout<<s2<<endl; }
};
class D:public B,public C
{
public:D(char *s1,char *s2,char *s3,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

9. 多继承中指针偏移问题？下面说法正确的是( C )

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

10. 以下程序输出结果是什么（ B ）

 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

1. 什么是多态？

2. 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？

3. 多态的实现原理？

4. inline函数可以是虚函数吗？

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？

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？

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？