【C++庖丁解牛】面向对象的三大特性之一多态 | 抽象类 | 多态的原理 | 单继承和多继承关系中的虚函数表

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目录

前言1. 多态的概念1.1 概念 2. 多态的定义及实现2.1多态的构成条件2.2 虚函数2.3虚函数的重写2.4 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比2.5 C++11 override 和 final 3. 抽象类3.1 概念3.2 接口继承和实现继承 4.多态的原理4.1虚函数表4.2多态的原理4.3 动态绑定与静态绑定 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5.2 多继承中的虚函数表5.3. 菱形继承、菱形虚拟继承6.继承和多态常见的面试问题

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前言

需要声明的，本节课件中的代码及解释都是在vs2013下的x86程序中，涉及的指针都是4bytes。如果要其他平台下，部分代码需要改动。比如：如果是x64程序，则需要考虑指针是8bytes问题等等

1. 多态的概念

1.1 概念

多态的概念：通俗来说，就是多种形态，具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。

举个栗子： 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，是半价买票；军人买票时是优先买票。

再举个栗子： 最近为了争夺在线支付市场，支付宝年底经常会做诱人的扫红包-支付-给奖励金的活动。那么大家想想为什么有人扫的红包又大又新鲜8块、10块…，而有人扫的红包都是1毛，5毛…。其实这背后也是一个多态行为。支付宝首先会分析你的账户数据，比如你是新用户、比如你没有经常支付宝支付等等，那么你需要被鼓励使用支付宝，那么就你扫码金额 = random()%99；比如你经常使用支付宝支付或者支付宝账户中常年没钱，那么就不需要太鼓励你去使用支付宝，那么就你扫码金额 = random()%1；总结一下：同样是扫码动作，不同的用户扫得到的不一样的红包，这也是一种多态行为。ps：支付宝红包问题纯属瞎编，大家仅供娱乐。

2. 多态的定义及实现

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。
那么在继承中要构成多态还有两个条件：

必须通过基类的指针或者引用调用虚函数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

2.2 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。

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; }/*注意：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因为继承后基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性),但是该种写法不是很规范，不建议这样使用*//*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;}

虚函数重写的两个例外：

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。（了解）

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; }};

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，这里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destructor。

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

请看下面的代码选出答案：
A . A->0
B. B->1
C. A->1
D. B->0

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

这个题目难点在于我们对于虚函数的掌握程度

父类与子类的函数同名，但是父类函数为虚函数，这就形成了多态，func是虚函数重写，但是这里的多态调用是实现重写，也就是说使用父类的函数声明，使用子函数的函数体。也就是说在这里调用的是

virtual void func(int val = 1) //父类的声明{cout << "B->" << val << endl;  //子类的函数体}

父类有虚函数test，子类没有，这里就会出现普通继承

我们

int main(){B* p = new B;p->test();p->func();B bb;bb->func();return 0;}

2.4 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)是面向对象编程中常用的三种方法，用于处理同名函数或方法的情况。它们的区别如下：

重载(Overloading)：重载是指在同一个类中定义多个同名函数，但它们的参数列表不同。 重载函数可以有不同的返回类型，但不能仅仅通过返回类型的不同来进行重载。编译器根据调用时传入的参数类型和数量来确定调用哪个重载函数。

覆盖(重写，Overriding)：覆盖是指在派生类中重新定义基类中已有的虚函数。 派生类中的函数必须与基类中的虚函数具有相同的名称、参数列表和返回类型。通过覆盖，派生类可以改变基类中虚函数的实现，实现自己特定的行为。

隐藏(重定义，Hiding)：隐藏是指在派生类中定义了与基类中同名的非虚函数。 派生类中的同名函数会隐藏基类中的函数，即使它们的参数列表不同。当通过基类指针或引用调用同名函数时，会调用基类中的函数；通过派生类对象调用同名函数时，会调用派生类中的函数。

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，但是有些情况下由于疏忽，可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重载，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和final两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。

final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

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

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-舒适" << endl; }};

3. 抽象类

3.1 概念

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（也叫接口类），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。

class Car{public:virtual void Drive() = 0;   //这就是虚函数Drive()};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;}};void Test(){Car* pBenz = new Benz;pBenz->Drive();Car* pBMW = new BMW;pBMW->Drive();}

这段代码定义了一个名为Car的基类和两个派生类Benz和BMW。Car类中有一个纯虚函数Drive()，表示这是一个虚函数，派生类必须实现它。Benz和BMW类分别继承自Car类，并重写了Drive()函数。
在Test()函数中，创建了一个指向Benz对象的Car指针pBenz，调用pBenz的Drive()函数输出"Benz-舒适"；然后创建了一个指向BMW对象的Car指针pBMW，调用pBMW的Drive()函数输出"BMW-操控"。

其底层实现为：

这里是一个多态调用，在进行多态调用时，在指向对象虚表中找到虚函数地址，虚表中存在的虚函数的地址在满足多态调用的时候，运行时到指向的对象中找到对应的虚函数
例如：
p指向benz，虚表中找到的benz重写虚函数，进行调用
p指向bmw，虚表中找到的bmw重写虚函数，进行调用

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虚函数表

这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？

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

通过观察测试我们发现b对象是8bytes，除了_b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个虚函数表指针，因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表，。那么派生类中这个表放了些什么呢？我们接着往下分析

针对上面的代码我们做出以下改造
1.我们增加一个派生类Derive去继承Base
2.Derive中重写Func1
3.Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3

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，我们发现了以下几点问题：

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。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。另外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。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nullptr。总结一下派生类的虚表生成：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。这里还有一个童鞋们很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？ 答：虚函数存在虚表，虚表存在对象中。注意上面的回答的错的。但是很多童鞋都是这样深以为然的。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。那么虚表存在哪的呢？实际我们去验证一下会发现vs下是存在代码段的，Linux g++下大家自己去验证？

4.2多态的原理

上面分析了这个半天了那么多态的原理到底是什么？

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 Mike;Func(Mike);Student Johnson;Func(Johnson);return 0;}

还记得这里Func函数传Person调用的Person::BuyTicket，传Student调用的是Student::BuyTicket

观察下图的红色箭头我们看到，p是指向mike对象时，p->BuyTicket在mike的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket。观察下图的蓝色箭头我们看到，p是指向johnson对象时，p->BuyTicket在johson的虚表中找到虚函数是Student::BuyTicket。这样就实现出了不同对象去完成同一行为时，展现出不同的形态。反过来思考我们要达到多态，有两个条件，一个是虚函数覆盖，一个是对象的指针或引用调用虚函数。反思一下为什么？再通过下面的汇编代码分析，看出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。

void Func(Person* p){p->BuyTicket();}int main(){Person mike;Func(&mike);mike.BuyTicket();return 0;}// 以下汇编代码中跟这个问题不相关的都被去掉了void Func(Person* p){...p->BuyTicket();// p中存的是mike对象的指针，将p移动到eax中001940DE  mov         eax, dword ptr[p]// [eax]就是取eax值指向的内容，这里相当于把mike对象头4个字节(虚表指针)移动到了edx001940E1  mov         edx, dword ptr[eax]// [edx]就是取edx值指向的内容，这里相当于把虚表中的头4字节存的虚函数指针移动到了eax00B823EE  mov         eax, dword ptr[edx]// call eax中存虚函数的指针。这里可以看出满足多态的调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象的中取找的。001940EA  call        eax00头1940EC  cmp         esi, esp}int main(){...// 首先BuyTicket虽然是虚函数，但是mike是对象，不满足多态的条件，所以这里是普通函数的调用转换成地址时，是在编译时已经从符号表确认了函数的地址，直接call 地址mike.BuyTicket();00195182  lea         ecx, [mike]00195185  call        Person::BuyTicket(01914F6h)...}

注意：

虚函数和普通函数都放在代码段多态调用不同类的对象，不同的对象都有自己的虚表，存储着虚函数的地址，先声明的在前面，后声明的在后面，父函数对象在前子函数对象在后子类内存是有父类的一部分的，先存储的是父类成员然后再是自己的内部成员，其自己不会另有虚表，而是直接用的父类的虚表虚函数是被放在常量区的

4.3 动态绑定与静态绑定

动态绑定和静态绑定是面向对象编程中的两个重要概念，用于描述方法调用的不同方式。

静态绑定（Static Binding）: 是在编译时确定方法的调用，也称为早期绑定。在静态绑定中，编译器根据变量的声明类型来确定要调用的方法。这意味着在编译时就已经确定了方法的调用对象和方法的实现。

动态绑定（Dynamic Binding）: 是在运行时确定方法的调用，也称为晚期绑定。在动态绑定中，编译器无法确定方法的调用对象和方法的实现，而是根据实际对象的类型来确定。这意味着在运行时才能确定方法的调用对象和方法的实现。

动态绑定可以通过虚函数来实现。当一个类中的函数被声明为虚函数时，它可以被子类重写，并且在运行时根据实际对象的类型来确定调用哪个函数。静态绑定在一些情况下更加高效，因为编译器可以在编译时就确定方法的调用。而动态绑定则更加灵活，可以根据实际对象的类型来确定方法的调用，实现多态性。

下面是一个简单的示例代码，用于说明动态绑定和静态绑定的区别：

#include <iostream>class Animal {public:    virtual void makeSound() {        std::cout << "Animal makes a sound." << std::endl;    }};class Dog : public Animal {public:    void makeSound() override {        std::cout << "Dog barks." << std::endl;    }};int main() {    Animal* animal = new Animal();    Dog* dog = new Dog();    // 静态绑定，根据变量的声明类型调用函数    animal->makeSound();  // 输出：Animal makes a sound.    dog->makeSound();     // 输出：Dog barks.    // 动态绑定，根据变量的实际类型调用函数    Animal* animal2 = new Dog();    animal2->makeSound();  // 输出：Dog barks.    delete animal;    delete dog;    delete animal2;    return 0;}

在上面的代码中，Animal类和Dog类都有一个makeSound()函数。
在静态绑定的情况下，根据变量的声明类型，animal->makeSound()调用Animal类的makeSound()函数，dog->makeSound()调用Dog类的makeSound()函数。
而在动态绑定的情况下，animal2是Animal类型的指针，但指向了Dog类的对象。所以animal2->makeSound()调用的是Dog类的makeSound()函数。

5.单继承和多继承关系的虚函数表

需要注意的是在单继承和多继承关系中，下面我们去关注的是派生类对象的虚表模型，因为基类的虚表模型前面我们已经看过了，没什么需要特别研究的

5.1 单继承中的虚函数表

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;};

观察下图中的监视窗口中我们发现看不见func3和func4。这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数，也可以认为是他的一个小bug。那么我们如何查看d的虚表呢？下面我们使用代码打印出虚表中的函数。

我们来打印一下虚表看一看：

思路：
取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，前面我们说了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

先取b的地址，强转成一个int*的指针再解引用取值，就取到了b对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针再强转成VFPTR*，因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最后面没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的-生成-清理解决方案，再编译就好了。

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;};typedef void(*VFPTR) ();void PrintVTable(VFPTR vTable[]){// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数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;}

观察下图可以看出：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

5.3. 菱形继承、菱形虚拟继承

实际中我们不建议设计出菱形继承及菱形虚拟继承，一方面太复杂容易出问题，另一方面这样的模型，访问基类成员有一定得性能损耗。所以菱形继承、菱形虚拟继承我们的虚表我们就不看了，一般我们也不需要研究清楚，因为实际中很少用。如果好奇心比较强的宝宝，可以去看下面的两篇链接文章。

C++ 虚函数表解析C++ 对象的内存布局

6.继承和多态常见的面试问题

什么是多态？答：参考本节课件内容，从静态多态和动态多态下手什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？答：参考本节课件内容多态的实现原理？答：参考本节课件内容inline函数可以是虚函数吗？答：可以，不过编译器就忽略inline属性，这个函数就不再是inline，因为虚函数要放到虚表中去。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。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。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。参考本节课件内容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。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。C++菱形继承的问题？虚继承的原理？答：参考继承课件。注意这里不要把虚函数表和虚基表搞混了。什么是抽象类？抽象类的作用？答：参考（3.抽象类）。抽象类强制重写了虚函数，另外抽象类体现出了接口继承关系。 阅读本书更多章节>>>>

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