一，多態(tài)概念

上節(jié)我們看了繼承，現(xiàn)在我們來看多態(tài)。

那么什么是多態(tài)呢？通俗來說，就是多種形態(tài)，具體點(diǎn)就是去完成某個(gè)行為，當(dāng)不同的對象去完成時(shí)會產(chǎn)生出不同的狀態(tài)。
舉個(gè)例子，對于買票這件事，一個(gè)成人去買的話是全票，但如果是學(xué)生則半價(jià)，在這件事中成人和學(xué)生都可以買票，但是不同的人買，票價(jià)卻不同，這就是一種多態(tài)行為。

二，多態(tài)的定義

2.1 多態(tài)構(gòu)成的條件

多態(tài)是在不同繼承關(guān)系的類對象，去調(diào)用同一函數(shù)，產(chǎn)生了不同的行為。

在繼承中構(gòu)成多態(tài)要滿足兩個(gè)條件：

1. 在子類中對父類的虛函數(shù)進(jìn)行重寫，且必須調(diào)用。
2. 通過父類的指針或者引用調(diào)用虛函數(shù)

那什么是虛函數(shù)及什么是重寫，我們下面就來講解

2.2 什么是虛函數(shù)

其實(shí)虛函數(shù)就是加上virtual的函數(shù)， 比如下面的代碼：

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

2.3 虛函數(shù)的重寫

虛函數(shù)要完成重寫，那么重寫就是子類中有一個(gè)和父類一樣的虛函數(shù)，這個(gè)虛函數(shù)要求：

函數(shù)名，返回值類型，參數(shù)列表相同

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

2.3.1 虛函數(shù)重寫的特例

虛函數(shù)的重寫有兩個(gè)特例：

1. 協(xié)變----->重寫的虛函數(shù)的類型可以不一樣，但是要是父子類關(guān)系的指針或者引用

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;}
};

B這個(gè)類是A類的子類，Student類是Person的子類，且都有虛函數(shù)f()，但是這兩個(gè)虛函數(shù)的類型分別是A，B父子類的指針，這就是協(xié)變。

---

2. 析構(gòu)函數(shù)的重寫 ----->父子類的析構(gòu)函數(shù)會被統(tǒng)一成destuctor，如果不加virtual構(gòu)成重寫，則會構(gòu)成隱藏，不會調(diào)用到父類的析構(gòu)函數(shù)，進(jìn)而造成內(nèi)存泄漏（子類的資源沒有釋放完）

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

---

3. 虛函數(shù)重寫時(shí)，父類加了virtual，而子類不加virtual也構(gòu)成重寫（建議加上）

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

2.3.2 override和final

C++中對于重寫的要求比較嚴(yán)格，所以有了這兩個(gè)關(guān)鍵字來檢測是否重寫

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現(xiàn)在有這樣一個(gè)問題：如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)類，讓其不能被繼承
有兩種辦法：

1. 讓父類的構(gòu)造函數(shù)私有，以為子類的構(gòu)造要用到父類的構(gòu)造，但是這樣會讓子類不能實(shí)例化出對象
2. 用final修飾為最終類

final也可以修飾虛函數(shù)，修飾后不能被重寫！

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override加在派生類后面檢查是否完成重寫

2.4 重載和重寫（覆蓋）和重定義（隱藏）的區(qū)別

重載我們在前面學(xué)過，重寫在原理層面也叫覆蓋，上一節(jié)講的隱藏也叫重定義。

看下面的圖我們可以看到三者的區(qū)別：

其實(shí)更深層次來看重寫就是一種特殊的重定義！

三，抽象類

3.1 概念

我們先來看什么是純虛函數(shù)，就是在虛函數(shù)后面加上 = 0 ，

virtual void fun () = 0

包含純虛函數(shù)的類叫抽象類（接口類），并且抽象類不能實(shí)例化對象。

抽象類就像某類事物抽象出來的一個(gè)特征，不是一個(gè)具體的東西。例如車是一個(gè)抽象類，但是像寶馬，奧迪，奔馳是車這個(gè)抽象類繼承的具體的可實(shí)例化的類。

抽象類的派生類必須重寫虛函數(shù)，否則不能實(shí)例化，因?yàn)椴恢貙懽宇惾匀粫r(shí)抽象類，（間接強(qiáng)制子類重寫虛函數(shù)）

3.2 接口繼承和實(shí)現(xiàn)繼承

普通函數(shù)的繼承是一種實(shí)現(xiàn)繼承，派生類繼承基類函數(shù)，繼承了實(shí)現(xiàn)為了復(fù)用

虛函數(shù)的繼承是一種接口繼承，繼承了父類的接口為了重寫實(shí)現(xiàn)，達(dá)成多態(tài)。

四，多態(tài)的原理

普通函數(shù)和虛函數(shù)都是存在代碼段的，談到多態(tài)的原理我們就不得不說下類對象的存儲設(shè)計(jì)
如下圖：
一個(gè)類中存放著一個(gè)指向類成員函數(shù)表的指針，而這個(gè)表中存放的是函數(shù)的地址，多態(tài)的原理就和這種存儲結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。

4.1 虛函數(shù)表

先來試想一下如何計(jì)算一個(gè)有虛函數(shù)的類的大小：

class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}
private:int _b = 1;
};
int main() {Base b;cout << sizeof(b) << endl;return 0;
}

運(yùn)行后我們可以發(fā)現(xiàn)

這是為什么呢？

這是因?yàn)锽ase這個(gè)類中除了_b這個(gè)成員外，還有一個(gè)指針_vfptr，這個(gè)指針是虛函數(shù)表指針（虛表指針），指向的是虛函數(shù)指針數(shù)組。

那么這個(gè)指針指向的表是干嘛的呢，我們繼續(xù)來分析，我們讓派生類Derive去繼承Base類，并且增加虛函數(shù)。

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;
}

經(jīng)過調(diào)試我們可以看到

在Base和Derive類中都有_vfptr指針，指向了一張表，里面貌似存放了虛函數(shù)。而且Derive的這個(gè)表里第一個(gè)存放的是重寫的虛函數(shù)，第二個(gè)存放的是Base的第二個(gè)虛函數(shù)。

其實(shí)這個(gè)表是虛函數(shù)表（virtual function table），虛表中存儲的是虛函數(shù)的地址（指針）。
派生類的虛函數(shù)表繼承自父類的虛函數(shù)表，但是會用其自己的虛函數(shù)覆蓋虛表中第一個(gè)位置（所以虛函數(shù)的重寫也叫覆蓋）

重寫時(shí)語法層面的，覆蓋是原理層面的

虛表以空結(jié)尾，并且虛函數(shù)存放的順序和聲明的順序一致

派生類有兩部分，一部分是父類的，一部分是自己的，派生類沒有自己單獨(dú)的虛表，而是繼承的父類的，拷貝父類的虛函數(shù)表，并覆蓋自己重寫的虛函數(shù)

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知道了虛表的存在后，我們繼續(xù)探索。

如果派生類有一個(gè)自己的虛函數(shù)呢 ？ 會在虛表里怎么存放

虛函數(shù)表是存放在常量區(qū)的，在編譯時(shí)生成好的，虛表指針的初始化是在構(gòu)造函數(shù)初始化列表最前面（所有對象初始化之前）。

同類型的對象共享一個(gè)虛函數(shù)表

4.2 多態(tài)調(diào)用的底層原理

如何做到指向父類調(diào)用父類虛函數(shù)，指向子類調(diào)子類呢？

class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "買票-全價(jià)" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "買票-半價(jià)" << endl; }
};
void Func(Person& p)
{p.BuyTicket();
}
int main()
{Person Mike;Func(Mike);Student Johnson;Func(Johnson);return 0;
}

運(yùn)行后可以看到：

由上面的圖可知，指向父類時(shí)，會在父類的虛函數(shù)表中查找對應(yīng)的虛函數(shù)。 指向子類時(shí)，會在切割后的父類（子類中完成對父類虛函數(shù)重寫）的虛函數(shù)表中查找已經(jīng)被覆蓋的對應(yīng)的子類的虛函數(shù)

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總結(jié)一下就是，多態(tài)調(diào)用就是在運(yùn)行時(shí)去虛函數(shù)表中找虛函數(shù)的地址來進(jìn)行調(diào)用，所以可以達(dá)到指向父類調(diào)父類，指向子類調(diào)子類虛函數(shù)。

如果去掉 virtual ，則是普通調(diào)用，在編譯時(shí)通過調(diào)用者的類型確定函數(shù)的地址

4.3 靜態(tài)綁定和動態(tài)綁定

簡單來說，靜態(tài)就是編譯時(shí)，動態(tài)就是運(yùn)行時(shí)，

靜態(tài)綁定是在編譯時(shí)確定程序的行為，也叫靜態(tài)多態(tài)（函數(shù)重載），
動態(tài)綁定是在程序運(yùn)行期間確定程序行為

五，單繼承和多繼承的虛函數(shù)表

在單繼承和多繼承關(guān)系中，我們關(guān)注的是派生類對象的虛表模型，因?yàn)榛惖奶摫砟Ｐ颓懊嫖覀円呀?jīng)看過了，沒什么需要特別研究的。

5.1 單繼承的虛函數(shù)表

看下面的代碼：

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;
};

單繼承就是將基類的虛函數(shù)表拷貝下來，將自己重寫的虛函數(shù)覆蓋。

5.2 多繼承的虛函數(shù)表

假設(shè)一個(gè)派生類繼承了兩個(gè)基類，計(jì)算這個(gè)派生類的大小

看下面的代碼：

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;
};int main() {Derive d;return 0;
}

派生類繼承了兩個(gè)基類的虛表，所以說有兩張?zhí)摫?#xff0c;并且同時(shí)覆蓋了重寫的虛函數(shù)地址，如果派生類有自己的虛函數(shù)，那么這個(gè)虛函數(shù)的地址放在繼承的第一張?zhí)摫碇小?/code>

六，繼承和多態(tài)的常見問題

1. 內(nèi)聯(lián)函數(shù)也可以是虛函數(shù)，當(dāng)內(nèi)聯(lián)函數(shù)是普通調(diào)用時(shí)，其內(nèi)聯(lián)屬性還在，當(dāng)多態(tài)調(diào)用時(shí)，會失去其內(nèi)聯(lián)屬性。
2. 靜態(tài)成員函數(shù)不能是虛函數(shù)，因?yàn)闆]有this指針，無法訪問虛函數(shù)表。
3. 構(gòu)造函數(shù)不能是虛函數(shù)，因?yàn)樘摫碇羔樖窃跇?gòu)造函數(shù)初始化列表之前初始化的