注：編譯環(huán)境為VS 2022，指針大小為4字節(jié)

一、多態(tài)的概念

概念

多態(tài)，指完成某個(gè)行為，不同的對(duì)象去完成時(shí)會(huì)產(chǎn)生出不同的狀態(tài)。如：定一個(gè)一Animal類，類中包含動(dòng)物的叫聲這種方法，分別定義Dog和Cat類繼承自動(dòng)物類，那么Dog和Cat類中也會(huì)包含叫聲這種方法，但是他們具體實(shí)現(xiàn)是不同的，因?yàn)槊糠N動(dòng)物的聲音都不相同，這便是一種多態(tài)。

多態(tài)的分類

• 靜態(tài)多態(tài)，也稱為靜態(tài)綁定或者早綁定，是指函數(shù)在編譯期間就已經(jīng)確定了函數(shù)的行為。函數(shù)重載、函數(shù)模板等都屬于靜態(tài)多態(tài)。
• 動(dòng)態(tài)多態(tài)，即動(dòng)態(tài)綁定或者晚綁定，指程序在運(yùn)行時(shí)才可以確定函數(shù)的行為。本文主要分析的是動(dòng)態(tài)多態(tài)。

構(gòu)成條件

• 在繼承體系下，父類中包含虛函數(shù)
• 子類中對(duì)父類的虛函數(shù)進(jìn)行重寫
• 通過(guò)父類的指針或者引用調(diào)用虛函數(shù)

多態(tài)的體現(xiàn)：不同的類對(duì)象調(diào)用同一函數(shù)，會(huì)產(chǎn)生不同的行為。

二、虛函數(shù)的重寫

重寫的定義

虛函數(shù)：virtual關(guān)鍵字修飾的函數(shù)

子類中有一個(gè)跟父類完全相同的虛函數(shù)，即返回值類型、函數(shù)名、形參列表都完全相同，則可以說(shuō)子類重寫了父類的虛函數(shù)。

Student類中重寫了BuyTicket方法：

注意：只要父類中函數(shù)用virtual修飾即可，子類可以不加，且虛函數(shù)的重寫與權(quán)限無(wú)關(guān)。

重寫的特殊情況

協(xié)變——返回值類型不同

父類的虛函數(shù)返回父類對(duì)象的指針或者引用，子類虛函數(shù)返回子類對(duì)象的指針或者引用。

析構(gòu)函數(shù)重寫——父類與子類析構(gòu)函數(shù)名字不同

如果父類的析構(gòu)函數(shù)為虛函數(shù)，子類的析構(gòu)函數(shù)只要定義了，都能與父類的析構(gòu)函數(shù)構(gòu)成重寫?？梢岳斫鉃榫幾g器對(duì)析構(gòu)函數(shù)的名字做了特殊處理，編譯后析構(gòu)函數(shù)的名字統(tǒng)一處理成destructor。

override和final關(guān)鍵字

這兩個(gè)關(guān)鍵字的主要作用都是幫助用戶檢測(cè)是否構(gòu)成重寫。

• final：修飾虛函數(shù)，表示虛函數(shù)不可被重寫；另外final也可以修飾類，表示該類不能被繼承

• override：修飾虛函數(shù)，檢查子類虛函數(shù)是否重寫了父類的虛函數(shù)，如果沒有構(gòu)成重寫則會(huì)報(bào)錯(cuò)

區(qū)分重寫、重載、重定義

抽象類的概念

在虛函數(shù)的后面寫上=0，則這個(gè)函數(shù)為純虛函數(shù)。包含純虛函數(shù)的類叫做抽象類（也稱接口類），抽象類不能實(shí)例化對(duì)象。抽象類被集成以后如果沒有對(duì)虛函數(shù)進(jìn)行重寫，則繼承的類也是抽象類。

一般情況下，抽象類必須被繼承，且必須對(duì)虛函數(shù)進(jìn)行重寫，否則定義為抽象類則沒有實(shí)際意義。

Shape類：

class Shape
{
public:
	// 純虛函數(shù)
	virtual double GetArea() = 0;
	virtual double GetCircumference() = 0;
};

三、多態(tài)的實(shí)現(xiàn)原理

父類對(duì)象模型

給出一個(gè)Base類，一個(gè)Derived類繼承Base類

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Base::Fun1c()" << endl;
	}
	virtual void Func2()
	{
		cout << "Base::Func2()" << endl;
	}
	virtual void Func3()
	{
		cout << "Base::Func3()" << endl;
	}
public:
	int  _a;
};

class Derived:public Base
{
public:
	int _b;
};

父類對(duì)象模型：

總結(jié)：

• 類中定義了虛函數(shù)以后，定義對(duì)象時(shí)，編譯器會(huì)為對(duì)象創(chuàng)建一張?zhí)摫?，并將一個(gè)指向這張?zhí)摫淼闹羔槺４嬖趯?duì)象的前四個(gè)字節(jié)，無(wú)論定義幾個(gè)虛函數(shù)，對(duì)象都只比多四個(gè)字節(jié)大小。這個(gè)指針稱為函數(shù)虛表指針。
• 虛表地址是在構(gòu)造對(duì)象時(shí)進(jìn)行填充的，構(gòu)造函數(shù)如果顯式實(shí)現(xiàn)，編譯器會(huì)對(duì)用戶實(shí)現(xiàn)的函數(shù)進(jìn)行修改，增加給對(duì)象前四個(gè)字節(jié)存放虛表地址的語(yǔ)句。
• 虛表本質(zhì)就是一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組，按照聲明順序依次存放虛函數(shù)的地址

補(bǔ)充：生成默認(rèn)構(gòu)造方法的場(chǎng)景

在學(xué)習(xí)類與對(duì)象時(shí)我們知道構(gòu)造函數(shù)是是類的默認(rèn)成員函數(shù)，如果用戶沒有顯式定義，編譯器會(huì)默認(rèn)生成，但是實(shí)際上并不是在所有情況下編譯器都會(huì)生成默認(rèn)的構(gòu)造函數(shù)，編譯器只會(huì)在需要的時(shí)候生成構(gòu)造函數(shù)。

四種生成默認(rèn)構(gòu)造方法的場(chǎng)景

B類中包含有A類的對(duì)象，B類沒有顯式定義構(gòu)造函數(shù)，A類定義了無(wú)參或者全缺省的構(gòu)造方法，則編譯器會(huì)給B類生成默認(rèn)的構(gòu)造方法。

分析：因?yàn)锳類有無(wú)參或者全缺省的構(gòu)造方法，需要在B類中調(diào)用A類的構(gòu)造方法對(duì)A類成員進(jìn)行初始化，所以需要生成B類的構(gòu)造方法，在其初始化列表中調(diào)用A類構(gòu)造方法。

如果A類沒有顯式定義構(gòu)造函數(shù)，則不會(huì)生成B類構(gòu)造方法，默認(rèn)賦隨機(jī)值；如果A類定義的構(gòu)造方法不是無(wú)參或者全缺省的，則需要在初始化列表中對(duì)A類對(duì)象初始化：?

繼承中，B繼承A，A中定義了無(wú)參或者全缺省的構(gòu)造方法，B未顯式定義，則編譯器會(huì)給B類生成默認(rèn)的構(gòu)造方法。將B中繼承自A的部分初始化。

虛擬繼承中，B類虛擬繼承子A類，B類未顯式定義構(gòu)造方法，編譯器會(huì)給B類生成默認(rèn)的構(gòu)造方法，目的是：給B類對(duì)象的前4個(gè)字節(jié)填充虛基表地址

類中包含虛函數(shù)，未顯示定義構(gòu)造方法，則編譯器會(huì)自動(dòng)生成構(gòu)造方法，為對(duì)象的前4個(gè)字節(jié)填充虛表地址

子類對(duì)象模型

子類虛表構(gòu)建規(guī)則

1.將父類虛表內(nèi)容拷貝一份放到子類虛表中，注意父類和子類用的不是同一張?zhí)摫恚砸陨厦娴腂ase和Derived類為例

可以看出，兩個(gè)虛表指針的地址不同，但虛表中保存的虛函數(shù)的地址都相同。

2.如果子類中將父類的虛函數(shù)進(jìn)行了重寫，則用子類的虛函數(shù)地址替換虛函數(shù)表中相同偏移量的虛函數(shù)的地址。

3.子類中增加的虛函數(shù)按照其在類當(dāng)中的聲明次序放在虛表的最后

子類中增加了兩個(gè)虛函數(shù)：

但是由于VS監(jiān)視窗口中無(wú)法顯式新增加的子類，而內(nèi)存窗口只能顯式虛函數(shù)的地址，無(wú)法確認(rèn)是哪個(gè)函數(shù)，所以這里通過(guò)打印的方式進(jìn)行驗(yàn)證。

通過(guò)上圖中程序的方式打印出了子類對(duì)象中虛函數(shù)的分布情況，在這里VFP是一個(gè)函數(shù)指針類型，前面加typedef表示為函數(shù)指針類型，如果不加，則是函數(shù)指針變量。

所以是用VFP*接收指向第一個(gè)虛函數(shù)指針的指針，p與*p的類型：

所以最終的結(jié)論是：子類新增的虛函數(shù)按照其在類中的聲明次序放在虛函數(shù)表的最后。

子類對(duì)象的構(gòu)造過(guò)程

構(gòu)造子類對(duì)象時(shí)，在初始化列表中先調(diào)用父類的構(gòu)造函數(shù)，此時(shí)對(duì)象的前4個(gè)字節(jié)保存的虛表指針指向父類的虛表，之后構(gòu)造子類自己的虛表，虛表再指針指向子類的虛表。

總結(jié)

• 虛表的本質(zhì)是函數(shù)指針數(shù)組，在編譯時(shí)生成
• 虛函數(shù)的重寫也叫覆蓋，指的是虛表中虛函數(shù)的覆蓋，重寫是語(yǔ)法層的叫法，覆蓋是原理層的叫法
• 對(duì)象中保存的是虛表指針，虛表中保存的是虛函數(shù)指針，虛函數(shù)和普通函數(shù)一樣保存在代碼段，在VS中虛表也保存在代碼區(qū)
• 同一個(gè)類的對(duì)象共用同一張?zhí)摫?，父類和子類各自擁有各自的虛表?/li>

多態(tài)的調(diào)用原理

父類對(duì)象，函數(shù)調(diào)用時(shí)的匯編代碼：

普通函數(shù)調(diào)用時(shí)直接傳遞函數(shù)的地址，這個(gè)地址在編譯期間就確定了，虛函數(shù)則要經(jīng)過(guò)虛表指針尋址等步驟。從上面的匯編代碼也可以看出動(dòng)態(tài)多態(tài)的晚綁定的特點(diǎn)，在編譯期間普通函數(shù)的調(diào)用已經(jīng)確定了要調(diào)用的具體函數(shù)，虛函數(shù)則無(wú)法確定，只有等程序運(yùn)行起來(lái)，形參b是具體哪個(gè)對(duì)象確定了以后，才能確定要調(diào)用的函數(shù)的地址。

上面是傳遞父類對(duì)象時(shí)的調(diào)用情況，子類對(duì)象調(diào)用時(shí)的匯編代碼與父類對(duì)象相同，區(qū)別就是子類對(duì)象有自己的虛表，最終調(diào)用的是子類需表中的函數(shù)。

總結(jié)多態(tài)的原理：

創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，編譯器會(huì)給包含虛函數(shù)的類對(duì)象創(chuàng)建一張?zhí)摫?，并將虛表地址填充在?duì)象的前4個(gè)字節(jié)，子類對(duì)象會(huì)拷貝父類對(duì)象的虛表，然后再對(duì)自己重寫的虛函數(shù)進(jìn)行替換，并在虛表中添加子類新增的虛函數(shù)；函數(shù)調(diào)用時(shí)，編譯器會(huì)先從對(duì)象的前4個(gè)字節(jié)獲取該對(duì)象虛表的地址，然后在虛表中獲取虛函數(shù)地址進(jìn)行函數(shù)調(diào)用；由于每個(gè)類對(duì)象都有屬于該類的一張?zhí)摫恚姨摵瘮?shù)一般都進(jìn)行了重寫，即函數(shù)名與父類相同，但函數(shù)執(zhí)行的內(nèi)容不同，最終產(chǎn)生的結(jié)果就是，不同類的對(duì)象調(diào)用同一函數(shù)產(chǎn)生不同的結(jié)果，由此形成了多態(tài)。

多繼承的虛函數(shù)表

給出兩個(gè)父類Base1和Base2，Derived子類繼承自兩個(gè)父類

通多監(jiān)視窗口查看子類對(duì)象的模型：

多態(tài)中多繼承的子類對(duì)象模型與多繼承的模型原理相同，但是VS的監(jiān)視窗口無(wú)法查看子類新增的虛函數(shù)在需表中的位置，按照之前但繼承中打印虛表中函數(shù)的原理進(jìn)行打印：

最終得到的結(jié)果：

可以看出，子類中增加的虛函數(shù)保存在上面的虛表中。

多繼承子類對(duì)象模型及對(duì)象虛表：

四、繼承與多態(tài)中的常見問(wèn)題

1.析構(gòu)函數(shù)可以設(shè)置為虛函數(shù)嗎？

可以，在繼承體系中，最好將父類的析構(gòu)函數(shù)設(shè)置為虛函數(shù)；如果子類中涉及到資源管理，則必須將父類的析構(gòu)函數(shù)設(shè)置為虛函數(shù)，這樣父類和子類中的析構(gòu)函數(shù)便會(huì)構(gòu)成重寫（重寫的特殊情況），形成多態(tài)，通過(guò)父類指針指向子類對(duì)象時(shí)，delete父類對(duì)象的指針也會(huì)調(diào)用子類的析構(gòu)函數(shù)。

子類中涉及資源管理，調(diào)用父類析構(gòu)函數(shù)析構(gòu)子類對(duì)象，則會(huì)有內(nèi)存泄漏，如圖：

2.構(gòu)造函數(shù)可以設(shè)置為虛函數(shù)嗎？

不能，虛函數(shù)是放在虛表中的，虛表指針是在構(gòu)造方法的初始化列表中進(jìn)行填充的，通過(guò)虛表指針才能找到虛函數(shù)，但是不調(diào)用構(gòu)造方法就沒有虛表指針，二者矛盾。即如果構(gòu)造方法是虛函數(shù)，那么調(diào)用構(gòu)造方法就要通過(guò)虛表指針，但是虛表指針是要通過(guò)調(diào)用構(gòu)造方法才能填充的???？截悩?gòu)造與構(gòu)造函數(shù)原理相同。

3.賦值運(yùn)算符重載函數(shù)可以設(shè)置為虛函數(shù)嗎？

可以，但是沒有意義，因?yàn)橘x值運(yùn)算符重載函數(shù)參數(shù)和返回值都是本類類型對(duì)象的引用，設(shè)置程序函數(shù)無(wú)法進(jìn)行重寫，無(wú)法構(gòu)成多態(tài)。

4.靜態(tài)函數(shù)可以設(shè)置為虛函數(shù)嗎 ？

虛函數(shù)必須在創(chuàng)建對(duì)象后，通過(guò)對(duì)象的前4個(gè)字節(jié)的虛表指針調(diào)用。而靜態(tài)成員函數(shù)可以通過(guò) 類名：：成員函數(shù) 的方式進(jìn)行調(diào)用，不用通過(guò)象，這樣就無(wú)法找到虛表，也無(wú)法訪問(wèn)虛函數(shù)。

5.內(nèi)聯(lián)函數(shù)可以是虛函數(shù)嗎？

可以設(shè)置，但是沒有意義，因?yàn)樘摵瘮?shù)關(guān)鍵字virtual和inline是矛盾的，inline屬性會(huì)被忽略，函數(shù)不會(huì)展開，而是放到虛函數(shù)表中。

6.友元函數(shù)可以是虛函數(shù)嗎？

不可以，因?yàn)関irtual只能修飾類的成員函數(shù)。

7.為什么多態(tài)必須通過(guò)指針或者引用實(shí)現(xiàn)？

因?yàn)楫?dāng)我們用一個(gè)父類指針或者引用指向子類對(duì)象時(shí)，會(huì)發(fā)生內(nèi)存切割，用子類中屬于父類的部分給父類賦值：

	Animal& animal1 = dog;
 	Animal* animal2 = new Dog();

而下面的語(yǔ)句則不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存切割：

Ainmal animal3 = dog;

為什么會(huì)這樣呢？

“一個(gè)pointer或一個(gè)reference之所以支持多態(tài)，是因?yàn)樗鼈儾⒉灰l(fā)內(nèi)存任何“與類型有關(guān)的內(nèi)存委托操作； 會(huì)受到改變的。只有它們所指向內(nèi)存的大小和解釋方式 而已”。 ——《深度探索C++對(duì)象模型》

總結(jié)