C++多态特性
1. 什么是多态？
2. 多态的实现
2.1. 多态的构成条件
多态是在不同继承关系的类对象，去调用同一函数，产生了不同的行为。比如Student继承了Person。Person对象买票全价，Student对象买票半价。
在继承中要构成多态有两个条件：
1. 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
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
代码示例：
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 ps;
Student st;
Func(ps);
Func(st);
return 0;
}
2.2. 什么是虚函数?
虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;}
};
2.3. 虚函数的重写
虚函数的重写(覆盖)：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类型、函数名字、参数列表完全相同)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。
2.4. 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类型不同)
派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型不同。即基类虚函数返回基类对象的指针或者引用，派生类虚函数返回派生类对象的指针或者引用时，称为协变
代码示例：
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，无论是否加virtual关键字，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。虽然函数名不相同，看起来违背了重写的规则，其实不然，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成了destructor
class Person
{
public:
virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};
class Student : public Person {
public:
virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
int main()
{
Person* p1 = new Person;
Person* p2 = new Student;
delete p1;
delete p2;
return 0;
}
2.5. 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，但是有些情况下可能会导致函数名写错而无法构成重写，而这种错误在编译期间是不会报出的。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，表示该虚函数不能再被继承
class Car
{
public:
virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
virtual void Drive() {cout << "Benz" << 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" << endl;}
};
2.6. 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)对比
3. 抽象类
3.1. 什么是抽象类
若在虚函数的后面写上 = 0，则这个函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（也称接口类），抽象类不能实例化出对象。派生类继承后也不能实例化出对象，只有重写纯虚函数，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出了接口继承
代码示例：
class A
{
public:
virtual void func() = 0;
};
class B : public A
{
public:
virtual void func();
};
int main()
{
B b;
return 0;
}
3.2. 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，继承的是函数的实现。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，不要把函数定义成虚函数。
4. 多态的原理
4.1. 多态的原理
class Base
{
public:
virtual void Func1()
{
cout << "Func1" << endl;
}
private:
int _b = 1;
};
int main()
{
cout << sizeof(Base) << endl;
return 0;
}
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;
}
通过观察和测试，可以发现以下几点问题：
1. 派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员，虚表指针也就是存在部分的另一部分是自己的成员。
2. 基类b对象和派生类d对象虚表是不一样的，这里我们发现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作覆盖，覆盖就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. Func2继承下来后是虚函数，所以放进了虚表，Func3也继承下来了，但是不是虚函数，所以不会放进虚表。
4. 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。
5. 派生类的虚表生成：a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中 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.派生类自己新增加的虚函数按其在派生类中的声明次序增加到派生类虚表的最后。
6. 满足多态以后的函数调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象的中取找的。不满足多态的函数调用时编译时确认好的
注意：虚表存的是虚函数指针，不是虚函数，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。
4.2. 动态绑定与静态绑定
1. 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，比如：函数重载
2. 动态绑定又称后期绑定(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。
5. 单继承和多继承关系的虚函数表
5.1. 单继承中的虚函数表
有如下代码：
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;
};
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()
{
Base b;
Derive d;
VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
PrintVTable(vTableb);
VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
PrintVTable(vTabled);
return 0;
}
5.2 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;
}
由此可以看出：多继承派生类的未重写的虚函数放在第一个继承基类部分的虚函数表中
6.多态常见面试题
2. 静态成员可以是虚函数吗？
答：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。
3. 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。
4. 析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？
答：可以，并且最好把基类的析构函数定义成虚函数。基类的指针指向派生类对象，并用基类的指针删除派生类对象。
5. 对象访问普通函数快还是虚函数更快？
答：首先如果是普通对象，是一样快的。如果是指针对象或者是引用对象，则调用的普通函数快，因为构成多态，运行时调用虚函数需要到虚函数表中去查找。
6. 虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？
答：虚函数表是在编译阶段就生成的，一般情况下存在代码段(常量区)的。