多态之魂：C++中的优雅与力量

1. 多态的概念

多态(polymorphism)的概念：通俗来说，就是多种形态。多态分为编译时多态(静态多态)和运⾏时多态(动态多态)，这⾥我们重点讲运⾏时多态，编译时多态(静态多态)和运⾏时多态(动态多态)。编译时多态(静态多态)主要就是我们前⾯讲的函数重载和函数模板，他们传不同类型的参数就可以调用不同的函数，通过参数不同达到多种形态，之所以叫编译时多态，是因为他们实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的，我们把编译时⼀般归为静态，运⾏时归为动态。运⾏时多态，具体点就是去完成某个⾏为(函数)，可以传不同的对象就会完成不同的⾏为，就达到多种形态。

• ⽐如买票这个行为，当普通⼈买票时，是全价买票；学⽣买票时，是优惠买票(5折或75折)；军⼈买票时是优先买票。再⽐如，同样是动物叫的⼀个⾏为(函数)，传猫对象过去，就是”(>^ω<)喵“，传狗对象过去，就是"汪汪"。

1.1 编译时多态（静态多态）

编译时多态通常通过函数重载和运算符重载来实现。在编译时，编译器能够决定应该调用哪个重载版本。这种类型的多态的关键是重载，它在编译期间就确定了调用目标。

• 函数重载：同名函数有不同的参数列表，编译器根据传入的参数选择合适的函数。例如：

class Print 
{
public:
    void display(int i) 
    {
        std::cout << "Integer: " << i << std::endl;
    }

    void display(double d) 
    {
        std::cout << "Double: " << d << std::endl;
    }

    void display(const std::string& s) 
    {
        std::cout << "String: " << s << std::endl;
    }
};

在上面的代码中，display方法根据传递的参数类型进行不同的处理。

• 运算符重载：可以对运算符进行重载，使它们能够用于类的实例。例如重载+运算符：

class Complex 
{
public:
    double real, imag;
    Complex(double r, double i) : real(r), imag(i) {}

    Complex operator + (const Complex& other) 
    {
        return Complex(real + other.real, imag + other.imag);
    }
};

在这段代码中，重载了+运算符使其可以对复数类进行操作。

1.2 运行时多态（动态多态）

运行时多态通常通过虚函数（virtual function）和继承来实现。这种多态性使得程序可以在运行时选择合适的函数来调用，而不需要在编译时确定具体的对象类型。

虚函数和继承
运行时多态的核心是虚函数。在基类中使用virtual关键字声明一个函数，派生类可以重写该函数，当通过基类指针或引用调用这个函数时，会自动调用派生类中的实现。这种行为称为动态绑定或后期绑定。

以下是一个实现运行时多态的例子：

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal 
{
public:
    virtual void speak() 
    {
        cout << "Animal speaks" << endl;
    }

    virtual ~Animal() {}  // 基类中一般需要定义虚析构函数，避免内存泄漏
};

class Dog : public Animal 
{
public:
    void speak() override 
    {
        cout << "Dog barks" << endl;
    }
};

class Cat : public Animal 
{
public:
    void speak() override 
    {
        cout << "Cat meows" << endl;
    }
};

int main() 
{
    Animal* animal1 = new Dog();
    Animal* animal2 = new Cat();

    animal1->speak();  // 输出：Dog barks
    animal2->speak();  // 输出：Cat meows

    delete animal1;
    delete animal2;

    return 0;
}

在上面的代码中：

Animal是基类，Dog和Cat是从Animal继承的派生类。
speak函数在基类中被声明为virtual，这样在派生类中被重写后，通过基类指针或引用调用该函数时，能够在运行时调用正确的派生类版本。
使用override关键字明确指出派生类的函数是在重写基类的虚函数，增加代码的可读性和安全性。
虚析构函数
在多态情况下，如果你需要通过基类指针删除派生类对象，那么基类应该有一个虚析构函数。否则，会导致派生类部分没有被正确释放，进而造成内存泄漏。

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

class Derived : public Base 
{
public:
    ~Derived() 
    {
        cout << "Derived Destructor" << endl;
    }
};

多态的实现机制
在C++中，运行时多态通常是通过虚函数表（VTable）来实现的。每个包含虚函数的类都有一个虚函数表，里面存放指向该类虚函数的指针。而每个对象都有一个指向这个虚函数表的指针，称为vptr。在调用虚函数时，程序会通过vptr查找合适的函数实现，从而实现动态绑定。

2. 多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

多态是⼀个继承关系的下的类对象，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对象优惠买票。

2.1.1 实现多态还有两个必须重要条件：

• 必须指针或者引⽤调⽤虚函数
• 被调⽤的函数必须是虚函数。

说明：要实现多态效果，第⼀必须是基类的指针或引⽤，因为只有基类的指针或引⽤才能既指向派⽣类对象；第⼆派生类必须对基类的虚函数重写/覆盖，重写或者覆盖了，派生类才能有不同的函数，多态的不同形态效果才能达到。

2.1.2 虚函数

类成员函数前⾯加virtual修饰，那么这个成员函数被称为虚函数。注意⾮成员函数不能加virtual修饰。

class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;}
};

2.1.3 虚函数的重写/覆盖

在C++中，虚函数的重写（Override）和覆盖（Overload）是两个非常容易混淆的概念，它们有不同的用途和特性。下面我来详细解释虚函数的重写和覆盖的区别：

1. 虚函数的重写（Override）

虚函数的重写指的是在派生类中重新定义基类中的虚函数的行为。重写通常用于提供特定于派生类的实现，以便通过基类指针或引用调用函数时实现动态绑定（也叫后期绑定）。为了使虚函数能够在派生类中被重写，基类中的函数必须声明为virtual。

关键特性：

• 基类中的函数必须是虚函数：也就是用virtual关键字声明。
• 函数签名必须完全相同：函数的名称、参数类型和顺序必须与基类中的虚函数一致，否则就不是重写，而是另一个函数。
• 派生类函数的返回类型可以是基类虚函数返回类型的派生类型（协变返回类型）。

在C++11中，使用override关键字可以显式地表示派生类中的某个函数是在重写基类中的虚函数，这样可以让编译器帮我们检查是否正确进行了重写，避免出现参数列表不匹配或拼写错误等问题。

以下是重写的例子：

#include <iostream>

class Base 
{
public:
    virtual void show() 
    {
        std::cout << "Base show" << std::endl;
    }

    virtual ~Base() {}  // 虚析构函数，确保派生类对象通过基类指针删除时能够正确调用析构函数
};

class Derived : public Base 
{
public:
    void show() override 
    {  // 使用 override 关键字明确表示此函数是重写基类的虚函数
        std::cout << "Derived show" << std::endl;
    }
};

int main() 
{
    Base* b = new Derived();
    b->show();  // 输出：Derived show

    delete b;
    return 0;
}

2. 虚函数的覆盖（Overload）

覆盖实际上更常用的术语是重载（Overload），它指的是在同一个作用域内定义多个函数，函数名称相同但参数列表不同。函数重载主要用于提供相同功能的不同版本，以适应不同的参数类型或个数。

在重载的情况下，函数签名不同，这与重写的行为不同。而重载的分派发生在编译时，由编译器根据传入的参数选择哪个函数进行调用，因此它属于静态多态。

虚函数的覆盖不是通过继承和虚函数机制来实现的，而是通过在类中定义多个同名函数，来实现对不同参数的处理。

以下是重载的例子：

#include <iostream>

class Base 
{
public:
    virtual void show() 
    {
        std::cout << "Base show with no parameters" << std::endl;
    }

    void show(int value) 
    {
        std::cout << "Base show with value: " << value << std::endl;
    }
};

int main() 
{
    Base b;
    b.show();          // 输出：Base show with no parameters
    b.show(10);        // 输出：Base show with value: 10

    return 0;
}

2.1.4 多态场景的⼀个选择题

以下程序输出结果是什么（）
A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确

class A
{
public:
	virtual void func(int val = 1) { std::cout << "A->" << val << std::endl; }
	virtual void test() { func(); }
};
class B : public A
{
public:
	void func(int val = 0) { std::cout << "B->" << val << std::endl; }
};
int main(int argc, char* argv[])
{
	B* p = new B;
	p->test();
	return 0;
}

解释原因：

让我们逐步分析这段代码，以理解为什么输出是 B->1。

类的结构和虚函数的行为
类 A 和 B：

• 类 A 定义了两个虚函数：

  • func(int val = 1)：带有一个默认参数 val = 1，输出 A-> 后面跟 val 的值。
  • test()：调用了 func()。

• 类 B 继承自类 A 并重写了 func(int val = 0)，其中默认参数 val 为 0，输出 B-> 后面跟 val 的值。

虚函数调用与默认参数的区别：

• 在虚函数中，默认参数值是由声明的位置决定的，而不是由实际调用的位置决定的。
• 在类 A 中，func(int val = 1) 的默认值为 1。
• 在类 B 中，func(int val = 0) 的默认值为 0。

main() 函数的执行流程

B* p = new B;
p->test();

• p 是一个指向 B 类型对象的指针。
• 调用 p->test()，根据虚函数的特性，将调用基类 A 中的虚函数 test()。

test() 的执行过程

• 在 A::test() 中，调用了虚函数 func()，由于 func() 是虚函数，并且 p 实际上指向的是 B 类型的对象，因此调用的是 B::func()。
• 但关键点在于：A::test() 中的调用是 func()，没有显式传递参数，因此会使用默认参数，而这个默认参数是由基类 A 中的声明决定的，即 val = 1。
• 所以，即使调用的是 B 的 func() 函数，默认参数 val 仍然是 1，而不是 0。
  因此，最终的输出是：

B->1

2.1.5 虚函数重写的⼀些其他问题

• 协变(了解)
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。协变的实际意义并不⼤，所以我们了解⼀下即可。

class A {};
class B : public A {};
class Person {
public:
	virtual A* BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
		return nullptr;
	}
};
class Student : public Person {
public:
	virtual B* BuyTicket()
	{
		cout << "买票-打折" << endl;
		return nullptr;
	}
};
void Func(Person* ptr)
{
	ptr->BuyTicket();
}
int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	Func(&ps);
	Func(&st);

	return 0;
}

• 析构函数的重写

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看起来不符合重写的规则，实际上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destructor，所以基类的析构函数加了vialtual修饰，派⽣类的析构函数就构成重写。下⾯的代码我们可以看到，如果~ A()，不加virtual，那么delete p2时只调⽤的A的析构函数，没有调用B的析构函数，就会导致内存泄漏问题，因为~B()中在释放资源。

注意：这个问题⾯试中经常考察，⼤家⼀定要结合类似下⾯的样例才能讲清楚，为什么基类中的析构函数建议设计为虚函数。

class A
{
public:
	virtual ~A()
	{
		cout << "~A()" << endl;
	}
};
class B : public A {
public:
	~B()
	{
		cout << "~B()->delete:" << _p << endl;
		delete _p;
	}
protected:
	int* _p = new int[10];
};
// 只有派⽣类Student的析构函数重写了Person的析构函数，下⾯的delete对象调⽤析构函数，才能构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确的调⽤析构函数。
int main()
{
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new B;
	delete p1;
	delete p2;
	return 0;
}

2.1.6 override 和 final关键字

从上⾯可以看出，C++对函数重写的要求⽐较严格，但是有些情况下由于疏忽，⽐如函数名写错参数写错等导致⽆法构成重载，⽽这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运⾏时没有得到预期结果才来debug会得不偿失，因此C++11提供了override，可以帮助用户检测是否重写。如果我们不想让派生类重写这个虚函数，那么可以⽤final去修饰。

// error C3668: “Benz::Drive”: 包含重写说明符“override”的⽅法没有重写任何基类⽅法
class Car {
public:
	virtual void Dirve()
	{}
};
class Benz :public Car {
public:
	virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
	return 0;
}

// error C3668: “Benz::Drive”: 包含重写说明符“override”的⽅法没有重写任何基类⽅法
class Car {
public:
	virtual void Dirve()
	{}
};
class Benz :public Car {
public:
	virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
	return 0;
}

// error C3248: “Car::Drive”: 声明为“final”的函数⽆法被“Benz::Drive”重写
class Car
{
public:
	virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
	virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{
	return 0;
}

2.1.7 重载/重写/隐藏的对⽐

注意：这个概念对⽐经常考，⼤家得理解记忆⼀下

3. 纯虚函数和抽象类

在虚函数的后⾯写上=0，则这个函数为纯虚函数，纯虚函数不需要定义实现(实现没啥意义因为要被派⽣类重写，但是语法上可以实现)，只要声明即可。包含纯虚函数的类叫做抽象类，抽象类不能实例化出对象，如果派⽣类继承后不重写纯虚函数，那么派⽣类也是抽象类。纯虚函数某种程度上强制了派⽣类重写虚函数，因为不重写实例化不出对象。

class Car
{
public:
	virtual void Drive() = 0;
};
class Benz :public Car
{
public:
	virtual void Drive()
	{
		cout << "Benz-舒适" << endl;
	}
};

class BMW :public Car
{
public:
	virtual void Drive()
	{
		cout << "BMW-操控" << endl;
	}
};
int main()
{
	// 编译报错：error C2259: “Car”: ⽆法实例化抽象类
	Car car;
	Car* pBenz = new Benz;
	pBenz->Drive();
	Car* pBMW = new BMW;
	pBMW->Drive();
	return 0;
}

4. 多态的原理

4.1 虚函数表指针

下⾯编译为32位程序的运⾏结果是什么（）
A. 编译报错 B. 运⾏报错 C. 8 D. 12

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

上⾯题⽬运⾏结果12bytes，除了_b和_ch成员，还多⼀个__vfptr放在对象的前⾯(注意有些平台可能会放到对象的最后⾯，这个跟平台有关)，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual，f代表function)。⼀个含有虚函数的类中都⾄少都有⼀虚函数表指针，因为⼀个类所有虚函数的地址要被放到这个类对象的虚函数表中，虚函数表也简称虚表。

4.2 多态的原理

4.2.1 多态是如何实现的

从底层的⻆度Func函数中ptr->BuyTicket()，是如何作为ptr指向Person对象调⽤Person::BuyTicket，ptr指向Student对象调⽤Student::BuyTicket的呢？通过下图我们可以看到，满⾜多态条件后，底层不再是编译时通过调⽤对象确定函数的地址，⽽是运⾏时到指向的对象的虚表中确定对应的虚函数的地址，这样就实现了指针或引⽤指向基类就调⽤基类的虚函数，指向派⽣类就调⽤派⽣类对应的虚函数。第⼀张图，ptr指向的Person对象，调⽤的是Person的虚函数；第⼆张图，ptr指向的Student对象，调用的是Student的虚函数。

class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
};
class Soldier : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-优先" << endl; }
};
void Func(Person* ptr)
{
	// 这⾥可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket 
	// 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。 
	ptr->BuyTicket();
}
int main()
{
	// 其次多态不仅仅发⽣在派⽣类对象之间，多个派⽣类继承基类，重写虚函数后 
	// 多态也会发⽣在多个派⽣类之间。 
	Person ps;
	Student st;
	Soldier sr;
	Func(&ps);
	Func(&st);
	Func(&sr);

	return 0;
}

4.2.2 动态绑定与静态绑定

• 对不满⾜多态条件(指针或者引⽤+调⽤虚函数)的函数调⽤是在编译时绑定，也就是编译时确定调⽤函数的地址，叫做静态绑定。
• 满⾜多态条件的函数调⽤是在运⾏时绑定，也就是在运⾏时到指向对象的虚函数表中找到调⽤函数的地址，也就做动态绑定。

4.2.3 虚函数表

• 基类对象的虚函数表中存放基类所有虚函数的地址。
• 派生类由两部分构成，继承下来的基类和自己的成员，⼀般情况下，继承下来的基类中有虚函数表指针，⾃⼰就不会再生成虚函数表指针。但是要注意的这⾥继承下来的基类部分虚函数表指针和基类对象的虚函数表指针不是同⼀个，就像基类对象的成员和派生类对象中的基类对象成员也独立的。
• 派生类中重写的基类的虚函数，派⽣类的虚函数表中对应的虚函数就会被覆盖成派⽣类重写的虚函数地址。
• 派生类的虚函数表中包含，基类的虚函数地址，派生类重写的虚函数地址，派生类⾃⼰的虚函数地址三个部分。
• 虚函数表本质是⼀个存虚函数指针的指针数组，⼀般情况这个数组最后⾯放了⼀个0x00000000标记。(这个C++并没有进⾏规定，各个编译器⾃⾏定义的，vs系列编译器会再后⾯放个0x00000000标记，g++系列编译不会放)
• 虚函数存在哪的？虚函数和普通函数⼀样的，编译好后是⼀段指令，都是存在代码段的，只是虚函数的地址⼜存到了虚表中。
• 虚函数表存在哪的？这个问题严格说并没有标准答案C++标准并没有规定，我们写下⾯的代码可以对比验证⼀下。vs下是存在代码段(常量区)