C++进阶之多态（下）

多态的原理

1.虚函数表

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：

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. 这里还有一个很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？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

2.多态的原理

上面分析了这么多，那么多态的原理到底是什么？还记得这里Func函数传Person调用的Person::BuyTicket，传Student调用的是Student::BuyTicket

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;
}

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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)
{
    // 将参数 p 存储到栈上
    // rcx 寄存器包含了传递的参数 p 的引用
    mov qword ptr [rsp+8],rcx  
    push rbp        // 保存调用函数之前的 rbp 寄存器状态
    push rdi        // 保存调用函数之前的 rdi 寄存器状态
    sub rsp,0E8h    // 在栈上为局部变量分配空间，0xE8 字节的空间
    lea rbp,[rsp+20h]    // 计算 rbp 的值，指向当前栈帧的基址
    lea rcx,[__B666B148_test@cpp (07FF629704067h)]  
    call __CheckForDebuggerJustMyCode (07FF6296F1410h)  
    // 调用某个函数（可能是与调试器相关的），用于检查是否只调试自己的代码
    p.BuyTicket();    // 调用对象 p 的 BuyTicket() 方法
    mov rax,qword ptr [p]    // 将对象 p 的地址存储到 rax 寄存器
    mov rax,qword ptr [rax]  // 将 p 对象的 vtable（虚函数表）的地址加载到 rax
    mov rcx,qword ptr [p]    // 将对象 p 的地址存储到 rcx 寄存器
    call qword ptr [rax]     // 通过虚函数表调用 p.BuyTicket() 方法
    // 清理栈上的局部变量分配
    add rsp, 0E8h
    pop rdi         // 恢复调用函数之前的 rdi 寄存器状态
    pop rbp         // 恢复调用函数之前的 rbp 寄存器状态
}

3.动态绑定与静态绑定

动态绑定（Dynamic Binding）和静态绑定（Static Binding）是与多态性相关的两个重要概念，用于描述在编译时和运行时如何决定调用哪个函数或方法。

1. 静态绑定（Static Binding）： 静态绑定是在编译时（编译阶段）确定调用哪个函数或方法的过程。在静态绑定中，编译器会根据调用表达式中的信息，确定要调用的函数，这通常发生在编译器生成目标代码时。静态绑定适用于非虚函数，普通的函数重载，以及运算符重载等。

示例：

class Base {
public:
    void print() {
        cout << "Base class" << endl;
    }
};
class Derived : public Base {
public:
    void print() {
        cout << "Derived class" << endl;
    }
};
int main() {
    Derived d;
    Base& b = d;
    b.print(); // 静态绑定，编译时确定调用 Base::print()
}

在上述例子中，尽管 b 引用的是 Derived 类的对象，但因为 print 函数不是虚函数，所以在编译时就已经确定了调用 Base::print()。

2. 动态绑定（Dynamic Binding）： 动态绑定是在运行时（运行阶段）根据对象的实际类型来决定调用哪个函数或方法的过程。这通常涉及虚函数的使用，其中基类中声明的函数被标记为 virtual，并且派生类中进行了重写。运行时会根据对象的实际类型（而不仅仅是引用或指针的类型）调用适当的函数。

示例：

class Shape {
public:
    virtual void draw() {
        cout << "Drawing a shape." << endl;
    }
};
class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        cout << "Drawing a circle." << endl;
    }
};
int main() {
    Circle c;
    Shape& s = c;
    s.draw(); // 动态绑定，运行时根据实际对象类型调用 Circle::draw()
}

在上述例子中，由于 draw 函数被声明为虚函数，调用 s.draw() 会根据实际对象类型 Circle 调用 Circle::draw()。

总结：

• 静态绑定 是在编译时确定函数调用的方式，主要适用于非虚函数和函数重载。
• 动态绑定 是在运行时根据对象的实际类型确定函数调用的方式，主要适用于虚函数和多态性的实现。
• 动态绑定使得多态性成为可能，使代码更加灵活和可扩展。

单继承和多继承关系的虚函数表

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

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;
}

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。

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;
}

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

继承和多态常见的面试问题

1.概念查考

下面哪种面向对象的方法可以让你变得富有 A

A: 继承 B: 封装 C: 多态 D: 抽象

B 是面向对象程序设计语言中的一种机制。这种机制实现了方法的定义与具体的对象无关，而对方法的调用则可以关联于具体的对象。

A: 继承 B: 模板 C: 对象的自身引用 D: 动态绑定

动态绑定（Dynamic Binding）是面向对象编程中的一种机制，也被称为运行时多态性。它使得方法的调用可以在运行时根据对象的实际类型来确定，而不是在编译时就确定。这允许你在统一的接口下使用不同类型的对象，并根据对象的实际类型来决定调用哪个方法。动态绑定实现了方法的调用与具体的对象关联，使得多态性成为可能。

面向对象设计中的继承和组合，下面说法错误的是？ C

A：继承允许我们覆盖重写父类的实现细节，父类的实现对于子类是可见的，是一种静态复用，也称为白盒复用

B：组合的对象不需要关心各自的实现细节，之间的关系是在运行时候才确定的，是一种动态复用，也称为黑盒复用

C：优先使用继承，而不是组合，是面向对象设计的第二原则

D：继承可以使子类能自动继承父类的接口，但在设计模式中认为这是一种破坏了父类的封装性的表现

这个说法是错误的。在面向对象设计中，通常推荐使用组合而不是继承。这被称为"组合优于继承"的原则，指的是在设计中更倾向于通过组合（对象之间的关联）来构建新的类，而不是通过继承来获得现有类的功能。这是因为继承可能引入不必要的紧耦合，破坏封装性，并导致继承链的脆弱性。正确的做法是根据具体的情况选择继承或组合。继承在某些情况下是合适的，例如当子类是父类的一种特例，并且子类不需要对父类的行为进行修改时。而在其他情况下，组合可以更好地实现代码的灵活性、可维护性和松耦合。

以下关于纯虚函数的说法,正确的是 A

A：声明纯虚函数的类不能实例化对象

B：声明纯虚函数的类是虚基类

C：子类必须实现基类的纯虚函数

D：纯虚函数必须是空函数

关于虚函数的描述正确的是 B

A：派生类的虚函数与基类的虚函数具有不同的参数个数和类型

B：内联函数不能是虚函数

C：派生类必须重新定义基类的虚函数

D：虚函数可以是一个static型的函数

关于虚表说法正确的是 D

A：一个类只能有一张虚表

B：基类中有虚函数，如果子类中没有重写基类的虚函数，此时子类与基类共用同一张虚表

C：虚表是在运行期间动态生成的

D：一个类的不同对象共享该类的虚表

虚表是一个存储着虚函数指针的表格，每个类（包括基类和派生类）都可能有一个对应的虚表。下面是对其他选项的讨论：A：一个类只能有一张虚表。这个说法是不正确的。每个类（包括基类和派生类）都有可能有一个虚表，以支持多态性。B：基类中有虚函数，如果子类中没有重写基类的虚函数，此时子类与基类共用同一张虚表。这个说法是不正确的。每个类都有自己的虚表，即使子类没有重写虚函数，它也会有自己的虚表。C：虚表是在编译期间就生成的，而不是在运行时动态生成的。每个类的虚表在编译时就被创建，它存储了指向类的虚函数的指针。

假设A类中有虚函数，B继承自A，B重写A中的虚函数，也没有定义任何虚函数，则 D

A：A类对象的前4个字节存储虚表地址，B类对象前4个字节不是虚表地址

B：A类对象和B类对象前4个字节存储的都是虚基表的地址

C：A类对象和B类对象前4个字节存储的虚表地址相同

D：A类和B类虚表中虚函数个数相同，但A类和B类使用的不是同一张虚表

下面程序输出结果是什么? A

#include<iostream>
using namespace std;
class A {
public:
  A(char* s) { cout << s << endl; }
  ~A() {}
};
class B :virtual public A
{
public:
  B(char* s1, char* s2) :A(s1) { cout << s2 << endl; }
};
class C :virtual public A
{
public:
  C(char* s1, char* s2) :A(s1) { cout << s2 << endl; }
};
class D :public B, public C
{
public:
  D(char* s1, char* s2, char* s3, char* s4) :B(s1, s2), C(s1, s3), A(s1)
  {
    cout << s4 << endl;
  }
};
int main() {
  D* p = new D("class A", "class B", "class C", "class D");
  delete p;
  return 0;
}

A：class A class B class C class D B：class D class B class C class A

C：class D class C class B class A D：class A class C class B class D

多继承中指针偏移问题？下面说法正确的是 C

class Base1 { public: int _b1; };
class Base2 { public: int _b2; };
class Derive : public Base1, public Base2 { public: int _d; };
int main() {
  Derive d;
  Base1* p1 = &d;
  Base2* p2 = &d;
  Derive* p3 = &d;
  return 0;
}

A：p1 == p2 == p3 B：p1 < p2 < p3 C：p1 == p3 != p2 D：p1 != p2 != p3

在多继承中，每个基类都有自己的成员变量和虚表指针（如果有虚函数）。派生类的对象包含每个基类的成员变量，按照它们在派生类的声明中出现的顺序排列。虚表指针在派生类对象的开头。在给定的代码中，Derive 类从两个基类 Base1 和 Base2 继承，按照继承的顺序，它的内存布局是 _b1, _b2, _d。而指针 p1 和 p3 都指向对象 d 的开头，所以它们的值相等。指针 p2 指向对象 d 中 _b2 成员的位置，所以它的值与 p1 和 p3 不同。所以，正确的描述是C：p1 == p3 != p2。

以下程序输出结果是什么 B

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(int argc, char* argv[])
{
  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

首先这里开辟的是派生类的对象，主要和new有关，我们调用test函数时，因为此函数并没有被重写，所以我们正常调用的基类的test函数，传入的是A的this指针，但在其中调用的其实是B中重写的func函数，虚函数重写是接口继承，所以这里传入的val值实际为基类func函数缺省值1，所以这题选B

2.问答题

什么是多态？答：参考上面的多态概念和定义小节

什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？答：参考上面重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比小节

多态的实现原理？答：参考上面多态的实现原理小节

inline函数可以是虚函数吗？答：可以，不过编译器忽略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。

拷贝构造和operator==可以是虚函数吗？答：拷贝构造不可以，拷贝构造也是构造函数。operator==可以但无实际价值。

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。参考虚函数重写的两个例外小节

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：参考继承博客。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：参考抽象类小节。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。