C++中的多态性

1. 多态性的基本概念

多态，从字面上理解为多种形态。在C++中，多态允许不同类的对象对同一消息作出响应。例如，函数接口的多种不同实现方式，这依赖于对象的数据类型。比如，一个虚拟的BuyTicket()方法，普通人购买的票价可能是全价，而学生可能享有半价

2. 多态的定义与实现

 多态的实现依赖于三个关键点：继承、虚函数以及虚函数的重写（覆盖）。只有通过基类的指针或引用调用的虚拟成员函数才可以实现运行时多态。

 虚函数（Virtual Functions）

 虚函数是实现多态的核心，通过在基类中声明函数前加上virtual关键字，派生类可以重写这个函数以实现多态。例如，基类Person可能有一个虚拟的BuyTicket()方法，派生类Student可以通过重写这个方法来调整票价计算。

虚函数的重写

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：

1. 协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)

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;}
};

 2. 析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)

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;
}

 C++11进一步增强了多态的语义准确性和安全性，通过override关键字明确表示某个函数是重写的，而final则用于阻止进一步的重写。 

 1. 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. 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;}
};

 抽象类

class Car {
public:virtual void Drive() = 0; // 纯虚函数
};class Benz : public Car {
public:virtual void Drive() { cout << "Driving Benz comfortably" << endl; }
};

多态的原理

 虚函数表 (vtable)

 在C++中，如果一个类包含至少一个虚函数，则每个对象都会含有一个指向虚函数表的指针（通常称为vptr）。虚函数表是一个存储类的所有虚函数地址的数组。当调用一个虚函数时，程序会使用这个指针来定位虚函数表，然后根据虚函数在表中的位置来调用正确的函数。这个过程发生在运行时，使得函数调用的行为可以根据对象的实际类型来变化。

// 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;
};

// 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;
}

单继承和多继承关系的虚函数表  

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;
};

出虚表中的函数。

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;
// 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
// 1.先取b的地址，强转成一个int*的指针
// 2.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
// 3.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。
// 4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表
// 5.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。VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);PrintVTable(vTableb);VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);PrintVTable(vTabled);return 0;
}

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 

问答题

1. 什么是多态？ 多态是面向对象编程中的一个概念，允许不同的对象对同一消息做出响应。在C++中，多态主要通过虚函数实现，使得同一个函数调用可以根据调用对象的实际类型执行不同的函数体。

2. 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？

   • 重载（Overloading）：同一作用域内有多个同名函数，但是它们的参数列表不同。
   • 重写（覆盖，Overriding）：派生类函数覆盖基类中的虚函数，函数签名（包括函数名和参数列表）完全相同。
   • 重定义（隐藏，Hiding）：派生类中的函数隐藏了与其同名的基类函数，不论参数列表是否相同。

3. 多态的实现原理？ 多态主要通过虚函数表（vtable）实现，每个含虚函数的类都有一个虚函数表，对象中包含一个指向该表的指针（虚表指针vptr）。调用虚函数时，运行时通过虚表指针查找实际要调用的函数。

4. inline函数可以是虚函数吗？ 可以。虽然inline函数旨在内联，但如果一个inline函数被声明为虚函数，其是否内联取决于调用是否可以在编译时解析。如果调用可以在编译时解析，则可以内联；否则，作为虚函数处理，通常不会内联。

5. 静态成员可以是虚函数吗？ 不能。静态成员函数属于类而非类的实例，不依赖于类的具体对象，因此不能是虚函数。

6. 构造函数可以是虚函数吗？ 不能。构造函数负责对象的创建过程，虚函数机制依赖于对象中的虚表指针，该指针在构造函数执行过程中才被初始化。

7. 析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？ 可以。当类预期将作为基类使用，尤其是涉及到资源释放时，应将析构函数声明为虚函数。这确保通过基类指针删除派生类对象时能正确调用派生类的析构函数，避免资源泄露。

8. 对象访问普通函数快还是虚函数更快？ 访问普通函数更快。普通函数调用通常在编译时解析，而虚函数需通过虚表进行查找，涉及额外的运行时开销。

9. 虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？ 虚函数表在编译阶段生成，一般存储在程序的只读数据段。每个含虚函数的类都有自己的虚函数表。

10. C++菱形继承的问题？虚继承的原理？ 菱形继承问题是指多个派生类继承自同一基类时，最底层的派生类会从每个中间派生类中继承基类的副本，导致资源浪费和访问歧义。虚继承通过使继承路径中的基类成为虚拟的，确保基类的单一实例存在于继承体系中，解决了这个问题。

11. 什么是抽象类？抽象类的作用？ 抽象类是包含至少一个纯虚函数的类。抽象类不能直接实例化，主要用于定义接口和实现多态。派生类必须实现所有纯虚函数，才能被实例化。这样，抽象类为派生类提供了一个共同的接口框架。