C++多态的实现原理

一、类的多态

// animal.cpp#include <iostream>class animal{public:    void sleep()    {        std::cout<<"animal sleep"<<std::endl;    }    void breathe()    {        std::cout<<"animal breathe"<<std::endl;    }};class fish:public animal{public:    void breathe()    {        std::cout<<"fish breathe"<<std::endl;    }};int main(){    fish fh;            // 定义了一个fish类的对象fh    animal *pAn = &fh;  // 定义animal类的指针变量pAn，并将fh的地址赋给该指针    pAn->breathe();    return 0;}

程序执行结果为：animal breathe，而不是fish breathe。

下面我们从两个方面讲述原因：

（1）编译的角度

C++编译器在编译的时候，要确定每个对象调用的函数（要求此函数是非虚拟函数）的地址，这个称为早期绑定(early binding)。

当fish类的对象fh的地址赋给pAn时，C++编译器进行了类型转换，此时C++编译器认为变量pAn保存的就是animal对象的地址。

所以pAn->breathe()调用的就是animal对象的breathe。

（2）内存模型的角度

fish对象内存模型如下图所示：

构造fish类的对象时，首先要调用animal类的构造函数去构造animal类的对象，然后调用fish类的构造函数完成自身部分的构造，从而拼接出一个完整的fish对象。

当fish类型的对象fh装换为animal类型时，该对象就被认为是原对象整个内存模型的上半部分，也就是"animal的对象所占内存"。利用类型转换后的对象指针去调用它的方法时，也就是调用它所在的内存中的方法。

// virtualFunc.cpp#include <iostream>class animal{public:    void sleep()    {        std::cout<<"animal sleep"<<std::endl;    }    virtual void breathe()    {        std::cout<<"animal breathe"<<std::endl;    }};class fish:public animal{public:    void breathe()    {        std::cout<<"fish breathe"<<std::endl;    }};int main(){    fish fh;    animal *pAn = &fh;    pAn->breathe();    return 0;}

程序执行结果：fish breathe

当程序使用迟绑定(late binding)时，就会在运行时再去确定对象的类型以及正确的调用函数。

要让编译器采用迟绑定，就要在基类中声明函数时使用virtual关键字，这样的函数称为虚函数。

函数在基类中声明为virtual，那么在所有的派生类中该函数都是virtual，而不需要显示地声明为virtual。

    （1）创建虚表。编译器在编译的时候，发现animal类中有虚函数，此时编译器为每个包含虚函数的类创建一个虚表(即vtable)，该表是一个一维数组，数组中存放每个虚函数的地址。

animal和fish类都包含了一个虚函数breathe()，编译器会为这两个类都建立一个虚表。

    （2）如何定位虚表呢？编译器为每个类的对象提供了一个虚表指针，这个指针指向了对象所属类的虚表。在程序运行时，根据对象的类型去初始化vptr，让vptr正确的指向所属类的虚表。从而在调用虚函数时，能够找到正确的函数。

virtualFunc.cpp中pAn实际指向的对象类型是fish，因此vptr指向fish类型的vtable。当调用pAn->breathe()时，根据虚表中的函数地址找到的就是fish类的breathe()函数。

（3）虚表指针在哪初始化？在构造函数中进行虚表的创建和虚表指针的初始化。构造子类对象时，要先用父类的构造函数，此时编译器只"看到了"父类，并不知道后面是否还有继承者。它初始化父类对象的虚表指针，该虚表指针指向父类的虚表。当执行子类的构造函数时，子类对象的虚表指针被初始化，指向自身的虚表。

当fish类的fh对象构造完毕后，其内部的虚表指针也被初始化为指向fish类的虚表。在类型转换后，调用pAn->breathe()，由于pAn实际指向的是fish类的对象，该对象内部非虚表指针指向的是fish类的虚表，因此最终调用的是fish类的breathe()函数。

    对于虚函数调用来说，每一个对象内部都有一个虚表指针，该虚表指针初始化为本来的虚表，所以在程序中，不管对象类型如何转换，该对象内部的虚表指针是固定的，所以才能实现动态的对象函数调用。这就是C++多态性实现的原理。

总结（基类有虚函数）：

1、每一个类都有虚表

2、虚表可以继承。如果子类没有重写虚函数，那么子类虚表中该函数的地址指向的是基类的虚函数实现。

如果基类有3个虚函数，那么基类的虚表中有三项(虚函数地址)。派生类也会有虚表，至少有3项。如果重写了相应的虚函数，那么虚表中的地址就会改变，指向自身的虚函数实现。如果派生类有自己的虚函数，那么虚表中就会添加该项。

3、虚函数只能借助指针或者引用来达到多态的效果。

二、虚函数和纯虚函数的区别

纯虚函数是虚函数后面加上"=0"，即virtual void fun() = 0

纯虚函数是在基类中声明的虚函数，它在基类中没有定义，但要求任何派生类都必须实现这个函数

抽象类是指包含至少一个纯虚函数的类。

基类中：虚函数可以有定义，纯虚函数只有声明没有定义。

派生类中：虚函数可以被重写，也可以继承基类虚函数；必须在派生类中实现基类的纯虚函数。

三、函数的多态性

在同一个类中，成员函数被重载。指的是一个函数被定义成多个不同参数的函数，它们一般被存在头文件中，当调用这个函数时，根据不同的参数，就会调用不同的同名函数。

四、重载、重写（覆盖）、隐藏的区别

重载：成员函数被重载的特征：

（1）相同的范围（在同一个类中）

（2）函数名字相同 静态的

（3）参数不同

（4）virtual关键字可有可无

重写：指派生类函数重写基类函数：

（1）不同的范围（分别位于基类与派生类）

（2）函数名字相同 动态的

（3）参数相同

（4）基类函数必须有virtual关键字

隐藏：指派生类的函数屏蔽了其同名的基本函数（范围：不在同一个类中）

（1）函数同名，但参数不同，此时无论有无virtual关键字，基类的函数被隐藏（与重载的区别是范围不同）

（2）函数同名，且参数相同，但基类函数没有virtual关键字，基类的函数被隐藏（与重写的区别是有无virtual）