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【C++】多态（多态的原理）

news 来源：原创 2024/9/28 14:13:09

在本篇博客中，作者将会带领你深入理解C++中的多态。

声明！！！本代码以及讲解都是在32位机器下进行完成的，64位机器下会有所不同，但大同小异。

一.多态的概念

什么是多态？

多态就是不同的对象去做相同的事情，会有不同的结果。

例如：对于去火车站买票这件事，普通人和学生去买票会有不同的结果，普通人要买全价票，而学生可以打75折。

这就是多态。

二.多态的定义及实现

那么知道了什么是多态，现在就来讲解一下多态是如何定义和实现的。

首先我们直接来看一段构成多态的代码。

1.多态的构成条件

多态是在继承关系中，不同的类对象去调用相同的函数时，出现不同的结果。

那么如何才能构成多态呢？

1.必须要用基类的指针或者引用去调用函数。

2.所调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对虚函数进行重写（覆盖）。

2.虚函数

在成员函数前面加上virtual关键字修饰的函数就是虚函数，注意只有成员函数才能被修饰成虚函数，普通的函数不能被修饰成虚函数。

class Person
{
public://虚函数virtual void BuyTicket(){cout << "普通人：买票-全价" << endl;}
};

3.虚函数重写

虚函数重写（覆盖），即在派生类中，有一个函数与基类的函数完成相同（返回类型相同，函数名相同，参数列表相同）。

class Person
{
public://父类虚函数virtual void BuyTicket(){cout << "普通人：买票-全价" << endl;}
};class Student :public Person
{
public://对继承下来的父类虚函数下进行重写virtual void BuyTicket(){cout << "学  生：买票-半价" << endl;}
};

同时在派生类重写虚函数时，可以不加上前面的virtual关键字，因为在派生类中，有一个继承父类下来的虚函数，不加virtual也可以，但是不建议。

class Person
{
public:virtual void BuyTicket(){cout << "普通人：买票-全价" << endl;}
};class Student :public Person
{
public://不要virtual关键字也可以，但是不建议void BuyTicket(){cout << "学  生：买票-半价" << endl;}
};

①虚函数重写的例外

同时在这里补充，虚函数重写的两个例外。

协变

协变就是虚函数的返回类型可以不同，基类的返回值和派生类的返回值构成继承关系，且返回的是指针或者引用就能构成虚函数重写。

光说很难说清，所以看下图。

析构函数

当将基类和派生类的析构函数修饰成虚函数时，即使析构函数的函数名不同，也能构成重写

这里虽然函数名不同，但是还是能实现重写进行多态行为，那是因为，析构函数的函数名经过编译后，都会被处理成~destructor

4.override以及final

接下来我们讲一下两个关键字：override、final。

final

被final修饰的虚函数不能被重写

同时在这里补充：被final修饰的类，不能被继承。

override

override用来修饰派生类的虚函数，被修饰的虚函数可以检查是否重写基类的虚函数而来，如果没有则会报错。

用处：我们会发现虚函数的重写非常的严格，因为返回值类型，函数名，参数列表都相同才能构成重写，所以在编写代码时，可能会发生明明我想重写这个虚函数，但是因为打错函数名了，而没有造成重写，同时也没有报错等任何问题，但是在我们要重写的虚函数后面加上override后，即可进行检查被override修饰的函数是否重写于基类的虚函数。

5.重载、重定义、重写

看到这里，可能会有同学以及有点分不清了，因为多态有重写，继承有重定义，同时函数又有重载，初学者可能很容易搞混。所以在这里我们进行一个讲解。

重载：

两个函数在同一个作用域中。

函数名相同，参数不同（类型不同，顺序不同，个数不同）。

重写（覆盖）：

两个函数分别在基类和派生类中。

两个函数都是虚函数。

函数名、返回类型、参数列表相同（两个例外除外）。

重定义（隐藏）：

两个函数分别在基类和派生类中。

函数名相同。

不符合重写就是重定义。

三.抽象类

在虚函数后面加上=0的虚函数称为纯虚函数，包含纯虚函数的类又被称为抽象类（也叫接口类），抽象类是不能实例化出对象的，派生类继承后也不能实例化对象，只有重写基类中的纯虚函数后才能实例化出对象。纯虚函数规定了派生类必须重写。

#include<iostream>
using namespace std;//抽象类
class Person//不能实例化出对象
{
public://纯虚函数virtual void BuyTicket() = 0;
};class Student :public Person
{
public:virtual void BuyTicket()//对基类的纯虚函数进行重写后，派生类才能实例化出对象{cout << "学  生：买票-半价" << endl;}
};void func(Person& tmp)
{tmp.BuyTicket();
}int main()
{Student s;func(s);return 0;
}

1.接口继承与实现继承

在继承体系中，对于普通函数来说，派生类继承的是函数的实现，而对于虚函数来说，派生类继承的是函数的接口，这句话如何理解呢，我们来看代码来理解。

在上面的代码中，派生类B中，重写了A的函数，但是这种重写指定是重写了函数的实现，而函数的结果依然是基类的函数接口，所以说重写是一种接口继承。

四.多态原理

学会了多态的使用，接下来再来学一下多态的原理。注意！！！本代码都是在32位机器下进行解释的，64的机器会略有不同，但都大同小异。

1.虚函数表

在解释多态原理前，我们先来看两段代码。

在上面的两段代码中，我们分别定义了两个类，一个类中有一个普通的成员函数，而另一个类中有一个虚函数，再通过求它们的大小。

可以看到有虚函数和没有虚函数的类大小是不一样的，为什么呢？

因为在有虚函数的类中，会多了一个虚函数表指针，这个虚函数表指针指向一个虚函数表，虚函数表中存储着类中所有的虚函数的地址。

现在知道了，如果类中有虚函数，那么类对象中就会存一个虚函数表指针，接下来再看看继承关系下又是怎样的。

通过上面的图，我们可以看到，在A对象的虚函数表中，只会存储虚函数的地址，而普通函数的地址是不会存储到虚函数表中，在看看B对象，在B对象的虚函数表中，会存储着继承A下来的虚函数，但是不同的是，在B对象中，重写了A中的func1，所以B对象的虚函数表中，func1是B重写下来的func1，即图中红色圈圈的位置（可能有点小，可以放大来看）。

总结

在有虚函数的类对象中，对象里面会存一个虚函数表指针，虚函数表指针又指向一个虚函数表，其实这个虚函数表本质上是一个函数指针数组，这个函数指针数组是以nullptr来结尾的，同时在派生类的虚函数表中，会继承下基类的虚函数，如果在派生类中重写了某个虚函数，则重写后的虚函数会覆盖到派生类的虚函数表中。

同时，虚函数表是存在代码段中的，虚函数也是存在代码段中的。

2.多态的原理

看完上面的代码及分析，那么多态的原理到底是什么呢？我们来结合下面的代码来看一下。

#include<iostream>
using namespace std;
class Person
{
public:virtual void BuyTicket(){cout << "普通人：买票-全价" << endl;}
};
class Student :public Person
{
public:virtual void BuyTicket(){cout << "学  生：买票-半价" << endl;}
};
void func(Person& tmp)
{tmp.BuyTicket();
}
int main()
{Person p;Student t;func(p);func(t);return 0;
}

经过上面的分析，我们可以知道p和t的虚函数表是下面这样的。

在p对象的虚函数表中，存的是Person::BuyTicket，而t对象的虚函数表中存的是Student::BuyTicket，因为在Student类中，重写了BuyTicket函数，当我们调用func函数的时候，因为传的是指针或者引用，所以实际上Person& tmp是传谁，tmp就指向谁，这样就能达到传谁调用谁的虚函数，因为tmp会到对应的对象的虚函数表中去找到对应的虚函数。

3.静态绑定与动态绑定

有的同学可能会知道，多态有编译时的多态和运行时的多态，也可以说叫静态绑定和动态绑定，那么这两个又有什么区别呢？

静态绑定：也称编译时的多态，即代码在编译后就已经确定的，例如函数重载，在程序中，当你调用一个重载的函数的时候，编译时就已经可以确定调用那个函数了。

动态绑定：也称运行时的多态，即要在代码运行后才能确定的，例如上面讲到的虚函数，当我们调用func函数时，func里面又通过tmp去调用另一个函数，但是调用的这个函数是不确定的， 有可能是Person的，也有可能是Student的，传谁就调用谁，由于不确定，所以要在运行时，到对应的虚函数表中去找，即运行时的多态。

我们也可以通过看汇编代码来学习。当调用Print函数时，因为Print是普通函数，所以在编译时就确定了，直接调用就行，而形成多态的虚函数，要通过一系列的操作到对应的虚函数表中去找到对应的虚函数。

五.单继承和多继承的虚函数表

在上面的讲解中，我们看到的都是派生类中只有基类的虚函数重写，而派生类中没有不是继承基类的虚函数，所以接下来我们来看一下，在单继承和多继承中的虚函数表表。

1.单继承中的虚函数表

我们先来看一下代码。

在上面的代码中，基类A只有两个虚函数func1、func2，而在派生类中，重写了虚函数func1，同时又多了两个虚函数func3、func4，但是我们从vs的监视窗口中，并没有看到func3和func4，那么是不是代表这两个虚函数不存在呢，其实不是的，只不过是在vs的监视窗口中没有显示出来罢了。我们也可以通过写一个代码来证明。

通过学习了上面的知识，我们知道了在一个类对象中，虚函数表指针是存储对象的第一个位置的，所以我们通过获取第一个位置的数据，即虚函数表指针来找到虚函数表，再把虚函数表打印出来。

#include<iostream>
using namespace std;class A
{
public:virtual void func1(){cout << "A::func1()" << endl;}virtual void func2(){cout << "A::func2()" << endl;}
};
class B :public A
{
public:virtual void func1(){cout << "B::func1()" << endl;}virtual void func3(){cout << "B::func3()" << endl;}virtual void func4(){cout << "B::func4()" << endl;}
};typedef void(*VFTable) ();//函数指针void Print(VFTable* table)
{for (int i = 0; *(table+i) != 0; i++){cout << *(table+i) << "->";VFTable f = table[i];//这段代码表示，一个f的函数指针指向一个虚函数f();//使用函数指针调用指向的函数}
}int main()
{A a;B b;VFTable* p = (VFTable*)(*((int*)(&b)));//将虚函数表指针指向的第一个虚函数取出来Print(p);return 0;
}

结果如下：

可以看到其实在B对象中，是由func3和func4两个虚函数的，只不过vs的监视窗口没有显示出来而已。

2.多继承中的虚函数表

看完了单继承的情况，我们再来看看多继承的情况，如下：

在多继承的情况中，一个派生类会有两个虚函数指针，其虚函数指针指向的虚函数表的内容如图中所示，但是我们没有看到C类对象的func3函数，那是因为情况与单继承的一样，只是vs的监视窗口没有显示出来而已，我们同样使用单继承的方式，可以将两个虚函数表打印出来。

代码如下：

#include<iostream>
using namespace std;class A
{
public:virtual void func1() {cout << "A::func1()" << endl;}virtual void func2() {cout << "A::func2()" << endl;}
};class B
{
public:virtual void func1() {cout << "B::func1()" << endl;}virtual void func2() {cout << "B::func2()" << endl;}
};class C :public A, public B
{
public:virtual void func1() {cout << "C::func1()" << endl;}virtual void func3() {cout << "C::func3()" << endl;}
};typedef void(*VFTable)();void Print(VFTable* tmp)
{for (int i = 0; *(tmp + i) != nullptr; i++){cout << *(tmp + i) << "->";VFTable f = *(tmp + i);f();}cout << endl;
}int main()
{C c;VFTable* p1 = (VFTable*)(*((int*)(&c)));//第一张虚函数表的第一个虚函数的地址VFTable* p2 = (VFTable*)(*(int*)((char*)(&c) + sizeof(A)));//第二张虚函数表的第一个虚函数的地址Print(p1);Print(p2);return 0;
}