1. 多態(tài)的概念

多態(tài)(polymorphism)的概念：通俗來說就是指多種形態(tài)，多態(tài)分為編譯時(shí)多態(tài)（靜態(tài)多態(tài)）和運(yùn)行時(shí)多態(tài)（動(dòng)態(tài)多態(tài)）。編譯時(shí)多態(tài)（靜態(tài)多態(tài)）主要是前面的函數(shù)重載和函數(shù)模板，它們傳不同類型的參數(shù)就可以調(diào)用不同類型的函數(shù)，通過參數(shù)不同達(dá)到多種形態(tài)，之所以叫做編譯時(shí)多態(tài)，是因?yàn)樗鼈儗?shí)參傳給形參的參數(shù)匹配是在編譯時(shí)完成的，我們把編譯時(shí)一般歸為靜態(tài)，運(yùn)行時(shí)歸為動(dòng)態(tài)。

運(yùn)行時(shí)多態(tài)，具體點(diǎn)就是去完成某個(gè)行為（函數(shù)），傳不同的對象就可以完成不同的行為，就達(dá)到多種形態(tài)。就如買票這個(gè)行為，當(dāng)普通人買票時(shí)是全價(jià)買票，當(dāng)學(xué)生買票時(shí)是學(xué)生票，軍人買票時(shí)是優(yōu)先買票。再比如，同樣是動(dòng)物叫的一個(gè)行為，傳“貓”過去就是“喵喵”，傳“狗”過去就是“汪汪”。

2. 多態(tài)的定義及實(shí)現(xiàn)

2.1 多態(tài)的構(gòu)成條件

多態(tài)是一個(gè)繼承關(guān)系下的類對象，去調(diào)用同一函數(shù)產(chǎn)生了不同行為。比如Student繼承了Person。Person對象買票全價(jià)，Student對象優(yōu)惠買票。

2.1.1實(shí)現(xiàn)多態(tài)還有兩個(gè)必須重要條件

• 必須是基類的指針或者引用調(diào)用虛函數(shù)
• 被調(diào)用的函數(shù)必須是虛函數(shù)，并且完成了虛函數(shù)重寫/覆蓋。

說明：要實(shí)現(xiàn)多態(tài)的效果，第一必須是基類的指針或者引用，因?yàn)橹挥谢惖闹羔樆蛞貌拍芗戎赶蚧惖膶ο?，又能指向派生類的對象。第二派生類必須對基類的虛函?shù)完成重寫/覆蓋，重寫/覆蓋了基類和派生類之間才能有不同的函數(shù)，多態(tài)的不同形態(tài)效果才能達(dá)成。

2.1.2 虛函數(shù)

類成員函數(shù)前面加virtual修飾，那么這個(gè)成員函數(shù)被稱為虛函數(shù)。??注意：非成員函數(shù)不能加virtual修飾。

class Person 
{
public:
 virtual void BuyTicket() { cout << "買票-全價(jià)" << endl;}
};

2.1.3 虛函數(shù)的重寫/覆蓋

虛函數(shù)的重寫/覆蓋：派生類中有一個(gè)跟基類完全相同的虛函數(shù)（即派生類虛函數(shù)與基類虛函數(shù)的返回值類型，函數(shù)名字，參數(shù)列表完全相同），成派生類的虛函數(shù)重寫了基類的虛函數(shù)。

注意：再重寫基類虛函數(shù)時(shí)，派生類的虛函數(shù)在不加virtual關(guān)鍵字時(shí)，雖然也可以構(gòu)成重寫，因?yàn)槔^承后基類的虛函數(shù)被繼承下來了，在派生類中依舊保持虛函數(shù)的屬性），但是該種寫法不是很規(guī)范，不建議這樣使用。在考試題中會經(jīng)常埋這樣一個(gè)坑，讓我們判斷是否構(gòu)成多態(tài)。

//指針
class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket() 
	{ 
		cout << "買票-全價(jià)" << endl; 
	}
};
class Student : public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket() 
	{
		cout << "買票-打折" << endl;
	}
};
void Func(Person* ptr)
{
	//這里雖然都是Person指針ptr調(diào)用BuyTicket
	//但是和ptr沒關(guān)系，而是由ptr指向的對象決定的
	ptr->BuyTicket();
}
int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	Func(&ps);
	Func(&st);
	return 0;
}
//引用
class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket() 
	{ 
		cout << "買票-全價(jià)" << endl; 
	}
};
class Student : public Person
{
public:
	virtual void BuyTicket() 
	{
		cout << "買票-打折" << endl;
	}
};
void Func(Person& ptr)
{
	//這里雖然都是Person指針ptr調(diào)用BuyTicket
	//但是和ptr沒關(guān)系，而是由ptr指向的對象決定的
	ptr.BuyTicket();
}
int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	Func(ps);
	Func(st);
	return 0;
}

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 << "(>^ω^<)喵" << std::endl;
	}
};
void letsHear(const Animal& animal)
{
	animal.talk();
}
int main()
{
	Cat cat;
	Dog dog;
	letsHear(cat);
	letsHear(dog);
	return 0;
}

2.1.4 多態(tài)場景的一個(gè)選擇題

以下程序輸出結(jié)果是什么（）

A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 編譯出錯(cuò) F: 以上都不正確

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;
}

這里由this調(diào)用func，構(gòu)成多態(tài)必須是父類的指針或者引用，這里是否構(gòu)成多態(tài)呢？這里的this是A*，所以它是一個(gè)父類的指針。

繼承它會把父類的成員拿下來是一種形象的說法，其實(shí)不會把它拿下來，它的復(fù)用是先去B里面去找有沒有test，再去A里面找，如果A里面還找不到就會報(bào)錯(cuò)。復(fù)用的本質(zhì)先去B里面找，再去A里面找。包括成員變量，如果A里面有一個(gè)_a，B里面有一個(gè)_b,它不是把A里面的拷貝下來在B里面也生成一份，是B對象生成的時(shí)候會先生成一個(gè)A對象的編譯器，在這個(gè)對象模型在內(nèi)存里面放的時(shí)候再放B的成員，不會說是把分類的成員函數(shù)和成員對象都拷貝一份下來。

所以說第一個(gè)條件是滿足的。

第二個(gè)條件是虛函數(shù)的重寫，也就是func，func的函數(shù)名，參數(shù)類型，返回值都相同，它是父類的重寫，所以也滿足是虛函數(shù)。

所以是滿足多態(tài)的，滿足多態(tài)是指向誰調(diào)用誰，p傳給了this，p是指向一個(gè)派生類的B對象的。

滿足多態(tài)的情況下，調(diào)用子類重寫的虛函數(shù)

2.1.5 虛函數(shù)重寫的一些其他問題

協(xié)變(了解)

派生類重寫基類虛函數(shù)時(shí)，與基類虛函數(shù)返回值類型不同。即基類虛函數(shù)返回基類對象的指針或引用，派生類虛函數(shù)返回派生類對象的指針或引用時(shí)，稱為協(xié)變。

class A {};
class B : public A {};
class Person {
public:
	virtual A* BuyTicket()
	{
		cout << "買票-全價(jià)" << endl;
		return nullptr;
	}
};
class Student : public Person {
public:
	virtual B* BuyTicket()
	{
		cout << "買票-打折" << endl;
		return nullptr;
	}
};
void Func(Person* ptr)
{
	ptr->BuyTicket();
}
int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	Func(&ps);
	Func(&st);
	return 0;
}

析構(gòu)函數(shù)的重寫

基類的析構(gòu)函數(shù)為虛函數(shù)，此時(shí)派生類的析構(gòu)函數(shù)只要有定義，無論是否加virtual關(guān)鍵字都與基類函數(shù)構(gòu)成重寫，雖然基類與派生類析構(gòu)函數(shù)的名字不同，看起來不符合重寫規(guī)則，實(shí)際上編譯器對派生類的析構(gòu)函數(shù)的名稱做了特殊處理，編譯后析構(gòu)函數(shù)的名稱同一處理成destructor，所以基類的析構(gòu)函數(shù)加了virtual修飾，派生類的析構(gòu)函數(shù)就構(gòu)成了重寫。

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];
};
// 只有派生類Student的析構(gòu)函數(shù)重寫了Person的析構(gòu)函數(shù)，下面的delete對象調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，才能
//構(gòu)成多態(tài)，才能保證p1和p2指向的對象正確的調(diào)用析構(gòu)函數(shù)。
int main()
{
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new B;
	delete p1;
	delete p2;
	return 0;
}

2.1.6 override和final關(guān)鍵字

C++對虛函數(shù)的重寫要求比較嚴(yán)格，但是有些情況寫由于疏忽，比如函數(shù)名寫錯(cuò)或者是參數(shù)寫錯(cuò)導(dǎo)致無法構(gòu)成重寫，而這種錯(cuò)誤是在編譯期間是不會報(bào)錯(cuò)的，只有在程序運(yùn)行時(shí)沒有得到預(yù)期結(jié)果，再進(jìn)行找錯(cuò)誤就會得不償失，因此C++11提供了override,可以幫助用戶檢測是否重寫。如果我們不想讓派生類重寫這個(gè)虛函數(shù)，那么就可以用final去修飾。

// error C3668: “Benz::Drive”: 包含重寫說明符“override”的方法沒有重寫任何基類方法 
class Car {
public:
	virtual void Dirve()
	{}
};
class Benz :public Car {
public:
	virtual void Drive() override
	{ 
		cout << "Benz-舒適" << endl;
	}
};
int main()
{
	return 0;
}
// error C3248: “Car::Drive”: 聲明為“final”的函數(shù)?法被“Benz::Drive”重寫 
class Car
{
public:
	virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
	virtual void Drive()
	{
		cout << "Benz-舒適" << endl;
	}
};
int main()
{
	return 0;
}

2.1.7 重載/重寫/隱藏的對比

注意：這個(gè)概念對比經(jīng)?？迹。。?/p>

3. 純虛函數(shù)和抽象類

在虛函數(shù)的后面加上=0，則這個(gè)函數(shù)為純虛函數(shù)，純虛函數(shù)不需要定義實(shí)現(xiàn)（實(shí)現(xiàn)沒啥意義，因?yàn)橐慌缮愔貙?，但語法上可以實(shí)現(xiàn)），只要聲明即可。包含純虛函數(shù)的類稱為抽象類，抽象類不能實(shí)例化出對象，如果派生類繼承后不重寫虛函數(shù)，那么派生類也是抽象類。純虛函數(shù)某種程度上強(qiáng)制了派生類必須重寫虛函數(shù)，因?yàn)椴恢貙憣?shí)例化不出對象。

4. 多態(tài)的原理

4.1 虛函數(shù)表指針

下面編譯為32位程序的運(yùn)行結(jié)果是什么（）

A. 編譯報(bào)錯(cuò) B. 運(yùn)行報(bào)錯(cuò) 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;
}

4.2 多態(tài)的原理

4.2.1 多態(tài)是如何實(shí)現(xiàn)的

從底層的角度Func函數(shù)中ptr->BuyTicket(),是如何作為ptr指向Person對象調(diào)用Person::BuyTicket,ptr指向Student對象調(diào)用Student::BuyTicket的呢？通過下圖我們可以看到滿足多態(tài)條件后，底層不再是編譯時(shí)，通過調(diào)用函數(shù)對象確定函數(shù)地址，而是運(yùn)行時(shí)到指向?qū)ο蟮奶摫碇?，確定對應(yīng)的虛函數(shù)的地址。

第一張圖，ptr指向Person對象，調(diào)用的是Person的虛函數(shù)；第二張圖ptr指向的是Student對象，調(diào)用的是Student的虛函數(shù)。

多態(tài)：指向誰調(diào)用誰的虛函數(shù)

指向父類，運(yùn)行時(shí)到指向父類對象的虛函數(shù)表中找到對應(yīng)的虛函數(shù)進(jìn)行調(diào)用

指向子類，運(yùn)行時(shí)到指向子類對象切片出的父類的虛函數(shù)表中找到對應(yīng)的虛函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。

4.2.2 動(dòng)態(tài)綁定與靜態(tài)綁定

• 對不滿足多態(tài)條件（指針或者引用 + 調(diào)用虛函數(shù)）的函數(shù)調(diào)用是在編譯時(shí)綁定，也就是編譯時(shí)確定調(diào)用函數(shù)的地址，叫做靜態(tài)綁定。
• 滿足多態(tài)條件的函數(shù)調(diào)用是在運(yùn)行時(shí)綁定，也就是在運(yùn)行時(shí)到指向?qū)ο蟮奶摵瘮?shù)表中，找到調(diào)用函數(shù)的地址，叫做動(dòng)態(tài)綁定。

// ptr是指針+BuyTicket是虛函數(shù)滿?多態(tài)條件。 
 // 這?就是動(dòng)態(tài)綁定，編譯在運(yùn)?時(shí)到ptr指向?qū)ο蟮奶摵瘮?shù)表中確定調(diào)?函數(shù)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不是虛函數(shù)，不滿?多態(tài)條件。 
 // 這?就是靜態(tài)綁定，編譯器直接確定調(diào)?函數(shù)地址 
 ptr->BuyTicket();
00EA2C91 mov ecx,dword ptr [ptr] 
00EA2C94 call Student::Student (0EA153Ch)

4.2.3 虛函數(shù)表

• 基類對象的虛函數(shù)表中存放，同類型的對象公用同一張?zhí)摫?，不同類型的對象各自有?dú)立的虛表，所以基類和派生類各自有獨(dú)立的虛表。
• 派生類由兩部分構(gòu)成，繼承下來的基類和自己的成員，一般情況下，繼承下來的基類中有虛函數(shù)表指針，自己就不再生成虛函數(shù)表指針。但是要注意的是這里繼承下來的虛函數(shù)表指針和基類對象的虛函數(shù)表指針不是同一個(gè)，就像基類對象的成員，和派生類繼承下來的基類對象的成員也是獨(dú)立的。
• 派生類中重寫的基類的虛函數(shù)，派生類的虛函數(shù)表中對應(yīng)的虛函數(shù)就會被覆蓋成派生類重寫的虛函數(shù)地址。
• 派生類的虛函數(shù)表中包括：（1）基類的虛函數(shù)地址（2）派生類重寫的虛函數(shù)地址完成覆蓋（3）派生類自己的虛函數(shù)地址
• 虛函數(shù)表本質(zhì)上是一個(gè)存儲虛函數(shù)指針的指針數(shù)組，一般情況下這個(gè)指針數(shù)組最后面放了一個(gè)0x00000000標(biāo)記。(這個(gè)C++并沒有進(jìn)行規(guī)定，各個(gè)編譯器自行定義的，vs系列編譯器會再后?放個(gè)0x00000000標(biāo)記，g++系列編譯不會放)
• 虛函數(shù)存在哪的？虛函數(shù)和普通函數(shù)一樣，編譯好是一段指令，都是存放在代碼段的，只是虛函數(shù)的地址又存在虛表中。
• 虛函數(shù)表存放在哪的？這個(gè)問題嚴(yán)格說并沒有標(biāo)準(zhǔn)答案C++標(biāo)準(zhǔn)并沒有規(guī)定，我們寫下面的代碼可以對比驗(yàn)證?下。vs下是存在代碼段(常量區(qū))

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:
	// 重寫基類的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()
{
	int i = 0;
	static int j = 1;
	int* p1 = new int;
	const char* p2 = "xxxxxxxx";
	printf("棧:%p\n", &i);
	printf("靜態(tài)區(qū):%p\n", &j);
	printf("堆:%p\n", p1);
	printf("常量區(qū):%p\n", p2);
	Base b;
	Derive d;
	Base* p3 = &b;
	Derive* p4 = &d;
	printf("Base虛表地址:%p\n", *(int*)p3);
	printf("Derive虛表地址:%p\n", *(int*)p4);
	printf("虛函數(shù)地址:%p\n", &Base::func1);
	printf("普通函數(shù)地址:%p\n", &Base::func5);
	return 0;
}

以上就是C++虛函數(shù)到動(dòng)態(tài)綁定的核心原理深入分析的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C++虛函數(shù)到動(dòng)態(tài)綁定的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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