C++：多态
目录
一、什么是多态
二、多态的定义及实现
2.1 多态的构成条件
2.2 虚函数
2.3 override 和 final关键字
2.4 虚函数的重写/覆盖
三、协变
协变的优点
协变的注意事项
四、纯虚数和抽象类
五、多态的原理
六、虚函数表
一、什么是多态
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)，这里重点是运行时多态，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)主要就是前面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)；
二、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。
实现多态还有两个必须重要条件：
必须是基类的指针 或者 引用调用虚函数
被调用的函数必须是虚函数，并且完成了虚函数的重写/覆盖。
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基类对象又指向派生类对象；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，基类和派生类之间才能有不同的函数，多态的不同形态效果才能达到。
2.2 虚函数
虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。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;}
};2.3 override 和 final关键字
从上面可以看出，C++对虚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写，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 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;
}2.4 虚函数的重写/覆盖
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)，称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。
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。
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; }
};
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()
{Person ps;Student st;Func(&ps);Func(&st);return 0;
}
三、协变
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。
class Base {
public:virtual Base* clone() const {return new Base(*this);}
};class Derived : public Base {
public:Derived* clone() const override {return new Derived(*this);}
};
Derived类重写了Base类的clone函数，返回类型从Base* 变为Derived*，这是合法的协变。
协变的优点
提高代码的灵活性和可扩展性：协变使得派生类可以根据自身的需求返回更具体的类型，从而方便地进行类型转换和操作。
增强代码的可读性：通过协变，代码可以更清晰地表达出派生类与基类之间的关系，提高代码的可读性。
协变的注意事项
不是所有的返回类型改变都被允许：协变只适用于指针或引用类型的返回值，对于非指针或引用类型的返回值，改变返回类型会导致编译错误。
可能会导致类型不匹配问题：在使用协变返回类型时，需要注意类型的兼容性，避免出现类型不匹配的问题。
对虚函数表的影响：协变会影响虚函数表的结构，因为不同的返回类型可能需要不同的函数调用方式。
这也是协变
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;}
};四、纯虚数和抽象类
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。
派生类重写是指重新定义基类中的虚函数。
class A
{
public:virtual void Drive() = 0;
};class B :public A
{
public:virtual void Drive(){cout << "Benz-舒适" << endl;}
};class C :public A
{
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A car;A* pB = new B;pB->Drive();A* pC = new C;pC->Drive();return 0;
}五、多态的原理
除了_b成员，还多一个_vfptr放在对象的前面对象中。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。
虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组。
不同的对象会去从自己的虚函数表中调用自己实现的虚函数。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。
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;
}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。
3、多态调用：运行时，去指向对象的虚表中找到函数地址，进行调用。
4、普通调用：编译链接时确定函数地址，运行时直接调用。
六、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。但是要注意的是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，对比验证⼀下。vs下是存在代码段(常量区)
class Base {
public:virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }void func5() { cout << "Base::func5" << endl; }
protected:int a = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:// 重写基类的func1 virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }virtual void func3() { cout << "Derive::func1" << endl; }void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
protected:int b = 2;
};int main()
{int i = 0;static int j = 1;int* p1 = new int;const char* p2 = "xxxxxxxx";printf("栈:%p\n", &i);printf("静态区:%p\n", &j);printf("堆:%p\n", p1);printf("常量区:%p\n", p2);Base b;Derive d;Base* p3 = &b;Derive* p4 = &d;printf("Person虚表地址:%p\n", *(int*)p3);printf("Student虚表地址:%p\n", *(int*)p4);printf("虚函数地址:%p\n", &Base::func1);printf("普通函数地址:%p\n", &Base::func5);return 0;
}