[C++] 多态(上) -- 抽象类、虚函数、虚函数表

1、多态的概念

通俗来说，多态就是多种形态，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。

这个例子就是多态，不同身份对应不同的票价。

2、多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

在继承中要构成多态有两个重要条件：

1. 必须通过 基类的指针或者引用调用虚函数
2. 派生类必须对基类的虚函数进行重写（重写的要求三同：返回值相同、函数名相同、参数列表相同）
   我们按照多态的条件来写一份多态的代码：

class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票全价" << endl;
	}
};
class Student : public Person
{
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票半价" << endl;
	}
};

void func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
    cout << endl;
}

2.2 虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

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;
	}
};
class Teacher : public Person
{
public:
	// 子类可以重写虚函数时可以不加 virtual，但是不规范，不推荐这样写
	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。

2.4 虚函数重写的两个例外

2.4.1 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。

// 以自身父子类的指针/引用做返回值
class Person
{
public:
	virtual Person* BuyTicket()
	{
		cout << "virtual Person* BuyTicket()" << endl;
		return nullptr;
	}
};
class Student : public Person
{
public:
	virtual Student* BuyTicket()
	{
		cout << "virtual Person* BuyTicket()" << endl;
		return nullptr;
	}
};


// 以其他父子类指针/引用做返回值
class A
{};
class B : public A
{};

class Person
{
public:
	virtual A* BuyTicket()
	{
		cout << "virtual A* BuyTicket()" << endl;
		return nullptr;
	}
};
class Student : public Person
{
public:
	virtual B* BuyTicket()
	{
		cout << "virtual B* BuyTicket()" << endl;
		return nullptr;
	}
};

void func(Person* p)
{
	p->BuyTicket();
	cout << endl;
}
int main()
{
	Person p;
	func(&p);

	Student s;
	func(&s);

	return 0;
}

这里不管是以自身父子类的指针/引用做返回值，还是以其他父子类指针/引用做返回值这两种方式都是可以的。仍然构成多态。

2.4.2 析构函数的重写(基类与派生类析在这里插入图片描述

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。
当下面这种情况出现的时候，我们的析构函数必须写成虚函数：

class Person 
{
public:
	virtual ~Person() 
	{ 
		cout << "~Person()" << endl; 
	}
};
class Student : public Person 
{
public:
	virtual ~Student() 
	{ 
		cout << "~Student()" << endl; 
	}
};

int main()
{
	Person* p = new Person;
	delete p;

	Person* s = new Student;
	delete s;

	return 0;
}

如果我们没有将析构函数写为虚函数，那么在析构子类对象的时候就不是多态调用了，而只是析构了切片出来的父类那部分，这样的析构并没有将子类对象的资源完全释放，可能就会导致内存泄漏等问题。

2.4.3 选择题测试

下面的程序输出什么结果？

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()
{
	B* p = new B;
	p->test();
	return 0;
}

A：A->0 B：B->1 C：A->1 D：B->0 E：编译出错 F：以上都不正确

我们来分析一下这道题：
1、首先，进入main函数先new了一个子类B对象，子类B以共有方式继承了父类A，因此父类A中的公有方法在子类B中也是共有方式存在，所有的B对象都可以调用到A、B类中的公有方法。因此B指针对象p是可以正常调用test()方法，这里体现了继承的属性；
2、进入test()方法时，隐含的this指针的类型是A类型指针（父类指针），test()方法里又调用了func()方法，父类A中func()函数是虚函数，虽然子类B中func()函数没有加virtual，func()仍然是虚函数，同时父子类的func()返回值相同、函数名相同、参数相同（参数的类型，顺序，个数只要相同即可，参数名是否相同，有无缺省值都不影响），所以A和B的func()函数构成虚函数重写；
3、此时是父类指针在调用虚函数func()，但是指针this指向的对象是子类对象，因此this指针调用的是子类的func()方法。这里需要注意，虚函数重写的是函数体，函数的头部直接将父类虚函数头部拿下来用，子类重写时虽然改了头部但是编译器调用的时候用的还是父类func()函数的头部void func(int val = 1)。 因此，结果是B：B->1。

总结：
1、多态调用的时候，指针指向父类对象调用父类方法，指向子类对象调用子类方法；
2、多态调用的时候，虚函数重写的是函数体，头部直接用父类虚函数的头部；
3、非多态调用时，就算是虚函数重写，用的是自己的头部，即缺省用自己的缺省值。

2.5 C++11 final 和 override

2.5.1 final

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; }
};

2.5.2 override

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

2.6 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

3、抽象类

3.1 什么是抽象类

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;
};
int main()
{
	Car c;
	return 0;
}

这里抽象类是不能实例化出对象的。子类在继承后必须重写纯虚函数，否则也不能实例化对象。

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

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

3.2 接口继承和实现接口

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、虚函数表

这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？

// 32位下的sizeof(Base)是多大呢？
class Base
{
public:
    virtual void Func1()
    {
    cout << "Func1()" << endl;
    }
private:
    int _b = 1;
};
int main()
{
    Base b;
    cout << sizeof(b) << endl;

    return 0;;
}

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，我们增加一个派生类Derive去继承Base，并且Derive中重写Func1()，再给Base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：

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. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。