此文章關(guān)于多態(tài)的代碼全部是使用Visua Studio2019 (x86) 實(shí)現(xiàn)的，C++多態(tài)在不同編譯器中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)可能不同，所以部分情況下相同代碼運(yùn)行結(jié)果可能不同，在此聲明。

多態(tài)的概念

多態(tài)，顧名思義，即多種形態(tài)。具體來說就是對(duì)于某個(gè)行為，不同的對(duì)象去完成該行為會(huì)產(chǎn)生不同的狀態(tài)。

就像 “叫” 這個(gè)行為，貓來完成時(shí)其叫聲是 “喵喵喵” ，而狗則是 “汪汪汪”。

還有坐公交車，老人和小孩坐車是免票，而其他人則是全價(jià)票。

同樣的一個(gè)動(dòng)作，不同的對(duì)象來執(zhí)行，其實(shí)現(xiàn)的方法不同。

多態(tài)的定義與實(shí)現(xiàn)

多態(tài)是建立在繼承基礎(chǔ)上的，在不同的繼承關(guān)系下的類對(duì)象，調(diào)用同一函數(shù)，產(chǎn)生不同的行為。

在C++中，繼承體系下構(gòu)成多態(tài)需要滿足以下兩個(gè)條件：

• 1.必須通過基類指針或引用調(diào)用虛函數(shù)。
• 2.被調(diào)用函數(shù)必須是虛函數(shù)，且派生類必須對(duì)基類虛函數(shù)進(jìn)行重寫。 

虛函數(shù)

虛函數(shù)：即被 virtual 修飾的類的成員函數(shù)。

class A {
public:
    virtual int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
}

使用virtual修飾虛函數(shù)時(shí)，只需要修飾類內(nèi)部修飾即可。

class A {
public:
	virtual void print_1();
};

virtual void A::print_1() {
	cout << "1 : class A" << endl;
}

虛函數(shù)的重寫

虛函數(shù)的重寫指的是：派生類中有一個(gè)與基類完全相同的虛函數(shù) (即派生類的虛函數(shù)與基類虛函數(shù)的返回值類型，參數(shù)列表，函數(shù)名完全相同)，稱子類的虛函數(shù)重寫了基類的虛函數(shù)。

class A {
public:
	virtual void print_1() {
		cout << "1 : class A" << endl;
	}
};

class B : public A {
public:
	virtual void print_1() {
		cout << "1 : class B" << endl;
	}
};

void func(A& a) {
	a.print_1();
}

int main() {
	A a;
	B b;
	func(a);
	func(b);
	return 0;
}

PS.子類重寫父類虛函數(shù)時(shí)子類虛函數(shù)可以不加virtual關(guān)鍵字，這樣也可以構(gòu)成重寫——繼承后基類的虛函數(shù)被繼承下來了，在派生類之中依舊保持虛函數(shù)屬性。但是這種寫法并不規(guī)范，并不建議使用。

虛函數(shù)重寫的兩個(gè)例外

1.協(xié)變

• 基類與派生類虛函數(shù)返回值不同
• 派生類重寫基類虛函數(shù)時(shí)，若基類虛函數(shù)的返回類型是基類的指針或引用，新的返回類型是派生類的指針或引用，依舊可以構(gòu)成重寫。這樣的重寫被稱為返回類型協(xié)變。

class A {
public:
	virtual A& print_1() {
		cout << "1 : class A" << endl;
		return *this;
	}
};

class B : public A {
public:
	virtual B& print_1() {
		cout << "1 : class B" << endl;
		return *this;
	}
};

需要注意的是，只有返回對(duì)應(yīng)類型的指針或引用才會(huì)構(gòu)成協(xié)變，單純返回派生類或基類類型并不構(gòu)成協(xié)變。

class A {
public:
	virtual A print_1() {
		cout << "1 : class A" << endl;
		return *this;
	}
};

class B : public A {
public:
	virtual B print_1() {
		cout << "1 : class B" << endl;
		return *this;
	}
};

2.析構(gòu)函數(shù)的重寫

• 基類與派生類析構(gòu)函數(shù)函數(shù)名不同
• 當(dāng)基類的析構(gòu)函數(shù)為虛函數(shù)時(shí)，此時(shí)派生類的虛構(gòu)函數(shù)只要定義，無論是否被virtual關(guān)鍵字修飾，都與基類析構(gòu)函數(shù)構(gòu)成重寫。

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

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


int main() {
	A* a = new B;
	delete a;
	return 0;
}

析構(gòu)函數(shù)的重寫最常見的應(yīng)用便是基類指針指向派生類對(duì)象的情況下，如果我們所使用的派生類對(duì)象是從堆上 new 來的，那么，在沒有重寫析構(gòu)函數(shù)的情況下，在基類對(duì)象 delete 時(shí)，只會(huì)調(diào)用基類的析構(gòu)函數(shù)釋放基類的空間，而派生類對(duì)象所占用的空間則不會(huì)被釋放，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

C++11 override & final

1. override

• 在C++中，override關(guān)鍵字用來表示當(dāng)前虛函數(shù)重寫了基類虛函數(shù)。
• 在函數(shù)比較多，繼承關(guān)系負(fù)責(zé)的情況下，override關(guān)鍵字可以起到提示編寫者與其后繼者某個(gè)函數(shù)重寫了基類的虛函數(shù)——也代表這個(gè)函數(shù)不是派生類中定義的。
• override關(guān)鍵字可以強(qiáng)制編譯器去檢查某個(gè)函數(shù)是否重寫了基類虛函數(shù)，若否，則會(huì)報(bào)錯(cuò)。

class A {
public:

	virtual void print() {
		cout << "a" << endl;
	}
};

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

當(dāng)override修飾的函數(shù)并非重寫的基類虛函數(shù)時(shí)，會(huì)報(bào)錯(cuò)：

class A {
public:

	virtual void print() {
		cout << "a" << endl;
	}
};

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

2.final

• final用于修飾虛函數(shù)，表明該虛函數(shù)不能被重寫
• 我們是可以直接用final修飾父類虛函數(shù)的，表明該虛函數(shù)不能被重寫，但并不建議這樣做，虛類既然與平常的類不同，其實(shí)例化時(shí)自然會(huì)比普通的類多一份開，而final只是指明了這個(gè)虛函數(shù)不可以被重寫，但是虛類的相關(guān)開銷依舊在。

class A {
public:
	int a;
	virtual void print() final{
		cout << "a" << endl;
	}
};

class B : public A {
public:
	int b;
	void a_print() {
		cout << "b" << endl;
	}
};

class C {
public:
	int a;
	void print() {
		cout << "a" << endl;
	}
};

class D : public C {
public:
	int b;
	void a_print() {
		cout << "b" << endl;
	}
};

int main() {
	B b;
	D d;
	b.b = 3;
	b.a = 2;
	d.a = 2;
	d.b = 3;
	while (0);
	return 0;
}

重載&重寫&重定義

重載

將語義或功能相似的函數(shù)用同一個(gè)名字表示。

條件：

• 1.兩個(gè)函數(shù)在同一個(gè)作用域
• 2.函數(shù)名相同
• 3.參數(shù)列表不同
• 4.返回值可以不同

重寫 (覆蓋)

覆蓋是C++中多態(tài)的基礎(chǔ)，使派生類可以重新定義基類的虛函數(shù)。

條件：

• 1.兩個(gè)函數(shù)別屬于基類成員函數(shù)與派生類成員函數(shù)
• 2.兩個(gè)函數(shù)都必須是虛函數(shù)
• 3.函數(shù)名相同 (析構(gòu)函數(shù)除外，至少看起來不同)
• 4.返回值類型相同 (協(xié)變例外)
• 5.參數(shù)列表相同
• 6.函數(shù)的訪問權(quán)限可以不同 (如基類中的虛函數(shù)的訪問權(quán)限是 private ，派生類中可以重寫為public、protected)

重定義 (同名隱藏)

在繼承體系中，子類與父類中有同名成員，子類可以屏蔽父類指針對(duì)子類中父類成員的直接訪問。(但是可以使用 :: 訪問父類成員)

條件：

• 1.在不同作用域
• 2.函數(shù)名相同
• 3.返回值可以不同
• 4.在繼承體系中，只要不構(gòu)成重寫就是重定義
• 參數(shù)相同時(shí)，基類沒有關(guān)鍵字virtual修飾，基類的函數(shù)被隱藏
• 參數(shù)不同時(shí)，無論有沒有virtual關(guān)鍵字修飾，基類函數(shù)都被隱藏

class A {
	void print() {
		cout << "a" << endl;
	}
};

class B : public A {
public:
	int b;
	void print() {
		cout << "b" << endl;
	}
};

int main() {
	A a;
	B b;
	a.print();
	b.print();
	while (0);
	return 0;
}

純虛函數(shù)及抽象類

在有些時(shí)候，基類的某些行為在沒有被派生類重寫之前會(huì)非常不明確，或者說，不合常理，不好定義。比如我們先前舉過的例子——動(dòng)物的 “叫” 這個(gè)行為，在動(dòng)物這個(gè)基類中我們很難定義它具體是一種什么樣的行為，表達(dá)方式是怎樣的。我們是無法對(duì)這個(gè)行為做出具體的定義的，無法提供實(shí)現(xiàn)。但是作為一種 “共性” 我們又想要在基類中聲明它。

于是乎，在虛函數(shù)的基礎(chǔ)上，C++又提出了一種新的函數(shù)——純虛函數(shù)。

• 在虛函數(shù)后面寫上 = 0 ，則這個(gè)函數(shù)就是純虛函數(shù)。
• 包含純虛函數(shù)的類叫做接口類——也被稱為抽象類，抽象類不能實(shí)例化對(duì)象。
• 派生類繼承抽象類后，如果不重寫基類的純虛函數(shù)，也無法實(shí)例化對(duì)象。
• 純虛函數(shù)規(guī)定了派生類必須重寫，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了接口繼承。

class A {
public:
	virtual void print() = 0;
};

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

int main() {
	B b;
	b.print();
	while (0);
	return 0;
}

接口繼承與實(shí)現(xiàn)繼承

普通函數(shù)的繼承是一種實(shí)現(xiàn)繼承，派生類繼承了基類的函數(shù)，可以使用函數(shù)，這種繼承繼承的是函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

虛函數(shù)的繼承則是一種接口繼承，派生類繼承的只是虛函數(shù)的接口，目的是為了重寫，從而達(dá)成多態(tài)，繼承的是一個(gè)接口。

所以，如果不實(shí)現(xiàn)多態(tài)，就不要把函數(shù)設(shè)置為虛函數(shù)。

多態(tài)的原理

class A {
public:
	int _a1;
	int _a2;

	virtual void study() {
		cout << "study" << endl;
	}

	A()
		:_a1(1)
		,_a2(2)
	{}
};


int main() {
	A a;
	return 0;
}

以上代碼中，類A的實(shí)例化對(duì)象a在實(shí)例化后，其內(nèi)存如上圖所示，明顯在我們所定義的變量a1, a2之前，還有著一串神奇的數(shù)字——00 75 9b 34。(據(jù)說有些編譯器這玩意可能在后邊)

單從表面上來看，它應(yīng)該是一個(gè)指針。而實(shí)質(zhì)上，它的確是一個(gè)指針。

在VS調(diào)試模式下的局部變量窗口中，我們可以很清楚的看到，這玩意還不是一個(gè)簡(jiǎn)單的指針，它是一個(gè)二級(jí)指針，指針名為 __vfptr （v——virtual f——function）我們通常稱其為虛函數(shù)表指針。

 進(jìn)一步將這個(gè)虛函數(shù)表指針展開來看

很容易看到，這個(gè)虛函數(shù)表指針指向的對(duì)象是一個(gè)函數(shù)指針，而函數(shù)指針指向的對(duì)象則是我們代碼中所定義的虛函數(shù)——A::study(void)

一個(gè)含有虛函數(shù)的類中都至少有一個(gè)虛函數(shù)表指針，因?yàn)樘摵瘮?shù)的地址要被存放到虛函數(shù)表中。

虛函數(shù)表也簡(jiǎn)稱虛表。

下面，我們將之放入繼承體系之中來分析。

class A {
public:
	int _a1;
	int _a2;

	virtual void func1() {
		cout << "A::func1" << endl;
	}

	virtual void func2() {
		cout << "A::func2" << endl;
	}

	virtual void func3() {
		cout << "A::func3" << endl;
	}

	A()
		:_a1(1)
		,_a2(2)
	{}
};

class B : public A{
public:
	int _b1;
	int _b2;

	virtual void func1() {
		cout << "B::func1" << endl;
	}

	virtual void func2() {
		cout << "B::func2" << endl;
	}

	B()
		:_b1(3)
		,_b2(4)
	{}
};

int main() {
	A a;
	B b;
	return 0;
}

通過以上調(diào)試圖片，可以看出

1.基類中有一個(gè)虛函數(shù)表指針，虛函數(shù)表中存儲(chǔ)著三個(gè)基類虛函數(shù)的地址。

2.派生類對(duì)象中也有一個(gè)虛函數(shù)表指針，且該虛函數(shù)表由兩部分構(gòu)成——派生類重寫的虛函數(shù)以及從基類中繼承的虛函數(shù)。

3.基類對(duì)象與派生類對(duì)象的虛函數(shù)表中的內(nèi)容是不同的，由于我們?cè)谂缮惔a中重寫了虛函數(shù)func1以及func2，所以派生類的虛函數(shù)表中對(duì)應(yīng)位置存儲(chǔ)的是被派生類重寫后的B::func1(void)以及B::func2(void)。所以虛函數(shù)的重寫也被稱為覆蓋，覆蓋指的是虛表中虛函數(shù)的覆蓋，派生類重寫的虛函數(shù)地址覆蓋了基類的虛函數(shù)地址。重寫是語法層面的稱呼，覆蓋是原理層面的稱呼。

4.虛函數(shù)表本質(zhì)是一個(gè)存放虛函數(shù)指針的指針數(shù)組，一般情況下這個(gè)數(shù)組最后會(huì)放一個(gè)nullptr。

5.派生類虛表生成的過程如下：首先，將基類中虛表內(nèi)容拷貝一份到派生類之中；而后，如果派生類重寫了某個(gè)虛函數(shù)，用派生類自身的虛函數(shù)的地址覆蓋虛函數(shù)表中基類虛函數(shù)的地址；最后，派生類將派生類之中新增的虛函數(shù)增加到虛函數(shù)表的最后。

6.虛函數(shù)表中只存放繼承或派生類自身定義的虛函數(shù)，非虛函數(shù)不會(huì)被存放。

虛函數(shù)存在哪里？虛表存在哪里？

• 與普通的函數(shù)一樣，虛函數(shù)存放于代碼段中，只是它的指針被存儲(chǔ)到了虛表之中。虛表并不存放于對(duì)象之中，對(duì)象中存儲(chǔ)的是虛表指針。
• 虛表存放于代碼段之中。(個(gè)人實(shí)力原因暫時(shí)無法證明)

多態(tài)的原理

分析了這么多，多態(tài)的原理究竟是什么？這里就需要用到我們之前屢試不爽的方法——通過基類指針/引用調(diào)用函數(shù)：

void Func(A* tmp) {
	tmp->func1();
}

int main() {
	A a;
	B b;
	Func(&a);
	Func(&b);
	return 0;
}

通過對(duì)以上代碼進(jìn)行反匯編，我們可以看到在使用基類引用調(diào)用虛函數(shù)時(shí)的操作如下： 

mov    eax,dword ptr [tmp]

tmp中存儲(chǔ)的是基類對(duì)象的指針，將tmp中的值移動(dòng)到eax寄存器中。

mov    edx,dword ptr [eax]

 將eax的值指向的內(nèi)容存儲(chǔ)到edx中，即將基類對(duì)象前4個(gè)字節(jié)(虛表指針)移動(dòng)到edx中。

mov    ecx,dword ptr [tmp]

取tmp指針存儲(chǔ)的值到ecx寄存器中 

mov    eax,dword ptr [edx]

取edx寄存器中的值指向的內(nèi)容，相當(dāng)于取了虛表的前四個(gè)字節(jié)，即虛表中存儲(chǔ)的第一個(gè)虛函數(shù)的地址。如果我們此處調(diào)用的是fun2或者func3，則會(huì)在edx基礎(chǔ)上偏移一定字節(jié)。 

call    eax

調(diào)用eax寄存器中存儲(chǔ)的指針指向的函數(shù)。

動(dòng)態(tài)綁定與靜態(tài)綁定

• 靜態(tài)綁定：

靜態(tài)綁定又被稱為前期綁定或早綁定，在程序編譯期間便已經(jīng)確定了程序的行為，也被稱為靜態(tài)多態(tài)。

• 動(dòng)態(tài)綁定：

動(dòng)態(tài)綁定又被稱為后期綁定或晚綁定，在程序運(yùn)行期間，根據(jù)具體拿到的類型來確定程序的行為，調(diào)用具體的函數(shù)，也稱為動(dòng)態(tài)多態(tài)。 

多繼承下的虛函數(shù)表

我們上文所主要講解使用的是單繼承情況下的虛函數(shù)表。這里我們就簡(jiǎn)單研究下如果在多繼承體系下，虛函數(shù)表又會(huì)有怎樣的不同。

是將多個(gè)基類的虛函數(shù)表直接合為一個(gè)，還是分別存儲(chǔ)與派生類對(duì)象中分屬于不同基類的存儲(chǔ)空間里。

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 << " 虛表地址>" << vTable << endl;
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf(" 第%d個(gè)虛函數(shù)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;
}

可能是之前對(duì)VS的編譯器做過太多設(shè)置的修改，這個(gè)程序在Debug模式下運(yùn)行會(huì)發(fā)生崩潰，崩潰原因是虛函數(shù)表末尾并沒有按照我們預(yù)期的那樣綴上一個(gè)nullptr。

但是在release模式下可以正常地運(yùn)行，并得到一下結(jié)果： 

通過觀察圖示結(jié)果我們可以很直觀的看到，多繼承情況下，派生類重寫的虛函數(shù)會(huì)放在第二個(gè)繼承基類部分的虛函數(shù)表中，而未重寫虛函數(shù)則會(huì)在第一個(gè)繼承基類部分的虛函數(shù)表中。

同時(shí)，在多個(gè)基類中有相同的函數(shù)(函數(shù)名，返回值，參數(shù)列表)時(shí)，默認(rèn)會(huì)重寫先繼承的基類中的對(duì)應(yīng)函數(shù)。

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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