多態(tài)性

多態(tài)性指相同對象收到不同消息或不同對象收到相同消息時產(chǎn)生不同的實現(xiàn)動作。C++支持兩種多態(tài)性：編譯時多態(tài)性，運行時多態(tài)性。

• 編譯時多態(tài)性：通過重載函數(shù)實現(xiàn)。
• 運行時多態(tài)性：通過虛函數(shù)實現(xiàn)。

虛函數(shù)、虛表、虛指針

虛函數(shù)
虛函數(shù)是C++中用于實現(xiàn)多態(tài)(polymorphism)的機制。核心理念就是通過基類訪問派生類定義的函數(shù)。
虛函數(shù)是在基類中被聲明為virtual，并在派生類中重新定義的成員函數(shù)，可實現(xiàn)成員函數(shù)的動態(tài)覆蓋（Override）

虛函數(shù)表
編譯器會為每個有虛函數(shù)的類創(chuàng)建一個虛函數(shù)表，該虛函數(shù)表將被該類的所有對象共享。類的每個虛成員占據(jù)虛函數(shù)表中的一行。如果類中有N個虛函數(shù)，那么其虛函數(shù)表將有N4（x64下是N8）的大小。
派生類的虛函數(shù)表存放重寫的虛函數(shù)，當(dāng)基類的指針指向派生類的對象時，調(diào)用虛函數(shù)時都會根據(jù)vptr（虛表指針）來選擇虛函數(shù)，而基類的虛函數(shù)在派生類里已經(jīng)被改寫或者說已經(jīng)不存在了，所以也就只能調(diào)用派生類的虛函數(shù)版本了.

虛表指針
虛表指針在類對象中，每個同類對象中都有個一個vptr，指向內(nèi)存中的vtable，所有同類對象，共享一個vtable，但是每個對象都自帶一個vptr指向這個vtable,否則調(diào)用虛函數(shù)的時候會找不到正確的函數(shù)入口，（后面將會講明）虛表指針是對象的第一個數(shù)據(jù)成員。

class Base 
{
    public:
        virtual void func() {}
}

class Derive : public Base
{
    public:
        void func() {}
}

void main()
{
    Derive d;
    Base *pb = &d;
    b->func();
}

編譯器在編譯的時候，發(fā)現(xiàn)Base類中有虛函數(shù)，此時編譯器會為每個包含虛函數(shù)的類創(chuàng)建一個虛表（即vtable），該表是一個一維數(shù)組，在這個數(shù)組中存放每個虛函數(shù)的地址。由于Base類和Derive類都包含了一個虛函數(shù)func()，編譯器會為這兩個類都建立一個虛表，（即使子類里面沒有virtual函數(shù)，但是其父類里面有，所以子類中對應(yīng)的函數(shù)也是虛函數(shù)）
那么如何定位虛表呢？編譯器另外還為每個類的對象提供了一個虛表指針（即vptr），這個指針指向了對象所屬類的虛表。在程序運行時，根據(jù)對象的類型去初始化vptr，從而讓vptr正確的指向所屬類的虛表。所以在調(diào)用虛函數(shù)時，就能夠找到正確的函數(shù)。

對于上述程序，由于pb實際指向的對象類型是Derive，因此vptr指向的Derive類的vtable，當(dāng)調(diào)用pb->func()時，根據(jù)虛表中的函數(shù)地址找到的就是Derive類的func()函數(shù)。

*正是由于每個對象調(diào)用的虛函數(shù)都是通過虛表指針來索引的，也就決定了虛表指針的正確初始化是非常重要的。換句話說，在虛表指針沒有正確初始化之前，我們不能夠去調(diào)用虛函數(shù)。那么虛表是怎么實現(xiàn)的？虛表存放在哪里？虛表中的數(shù)據(jù)是在什么時候確定的？對象中的虛表指針又在什么時候賦值的？

答案是在構(gòu)造函數(shù)中進(jìn)行虛表的創(chuàng)建和虛表指針的初始化。虛表和靜態(tài)變量一樣存在全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)，虛表可以理解成類的靜態(tài)成員，虛表指針和構(gòu)造函數(shù)的執(zhí)行初始化列表是初始化。

構(gòu)造函數(shù)的調(diào)用順序是，在構(gòu)造子類對象時，要先調(diào)用父類的構(gòu)造函數(shù)，此時編譯器只“看到了”父類，并不知道后面是否后還有繼承者，它初始化父類對象的虛表指針，該虛表指針指向父類的虛表。當(dāng)執(zhí)行子類的構(gòu)造函數(shù)時，子類對象的虛表指針被初始化，指向自身的虛表。對于以上的例子，當(dāng)Derive類的d對象構(gòu)造完畢后，其內(nèi)部的虛表指針也就被初始化為指向Derive類的虛表。在類型轉(zhuǎn)換后，調(diào)用pb->func()，由于pb實際指向的是Derive類的對象，該對象內(nèi)部的虛表指針指向的是Derive類的虛表，因此最終調(diào)用的是Derive類的func()函數(shù)。

有以下結(jié)論：

• 擁有虛函數(shù)的類會有一個虛表，而且這個虛表存放在類定義模塊的數(shù)據(jù)段中。模塊的數(shù)據(jù)段通常存放定義在該模塊的全局?jǐn)?shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)，這樣我們可以把虛表看作是模塊的全局?jǐn)?shù)據(jù)或者靜態(tài)數(shù)據(jù)
• 類的虛表會被這個類的所有對象所共享。類的對象可以有很多，但是他們的虛表指針都指向同一個虛表，從這個意義上說，我們可以把虛表簡單理解為類的靜態(tài)數(shù)據(jù)成員。值得注意的是，雖然虛表是共享的，但是虛表指針并不是，類的每一個對象有一個屬于它自己的虛表指針。
• 虛表中存放的是虛函數(shù)的地址。
• 虛表的地址被存放在對象的起始位置，即對象的第一個數(shù)據(jù)成員就是它的虛表指針。 同時我們還可以注意到，虛表指針的初始化確實發(fā)生在構(gòu)造函數(shù)的調(diào)用過程中， 但是在執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)體之前，即進(jìn)入到構(gòu)造函數(shù)的"{"和"}"之前。 為了更好的理解這一問題， 我們可以把構(gòu)造函數(shù)的調(diào)用過程細(xì)分為兩個階段，即：
  1.進(jìn)入到構(gòu)造函數(shù)體之間。在這個階段如果存在虛函數(shù)的話，虛表指針被初始化。如果存在構(gòu)造函數(shù)的初始化列表的話，初始化列表也會被執(zhí)行。
  2.進(jìn)入到構(gòu)造函數(shù)體內(nèi)。這一階段是我們通常意義上說的構(gòu)造函數(shù)

構(gòu)造函數(shù)初始化列表
類成員初始化總在構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行之前
1）從必要性：
a. 成員是類或結(jié)構(gòu)，且構(gòu)造函數(shù)帶參數(shù)：成員初始化時無法調(diào)用缺省（無參）構(gòu)造函數(shù)
b. 成員是常量或引用：成員無法賦值，只能被初始化
2）從效率上：
如果在類構(gòu)造函數(shù)里賦值：在成員初始化時會調(diào)用一次其默認(rèn)的構(gòu)造函數(shù)，在類構(gòu)造函數(shù)里又會調(diào)用一次成員的構(gòu)造函數(shù)再賦值
如果在類構(gòu)造函數(shù)使用初始化列表：僅在初始化列表里調(diào)用一次成員的構(gòu)造函數(shù)并賦值

如下：

class CExample {
public:
    int a;
    float b;
    //構(gòu)造函數(shù)初始化列表
    CExample(): a(0),b(8.8)
    {}
    //構(gòu)造函數(shù)內(nèi)部賦值
    CExample()
    {
        a=0;
        b=8.8;
    }
};

上面的例子中兩個構(gòu)造函數(shù)的結(jié)果是一樣的。上面的構(gòu)造函數(shù)（使用初始化列表的構(gòu)造函數(shù)）顯式的初始化類的成員；而沒使用初始化列表的構(gòu)造函數(shù)是對類的成員賦值，并沒有進(jìn)行顯式的初始化。
初始化和賦值對內(nèi)置類型的成員沒有什么大的區(qū)別，像上面的任一個構(gòu)造函數(shù)都可以。對非內(nèi)置類型成員變量，為了避免兩次構(gòu)造，推薦使用類構(gòu)造函數(shù)初始化列表。

另外有的時候必須用帶有初始化列表的構(gòu)造函數(shù)：
1.成員類型是沒有默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)的類。若沒有提供顯示初始化式，則編譯器隱式使用成員類型的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，若類沒有默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，則編譯器嘗試使用默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)將會失敗。
2.const成員或引用類型的成員。因為const對象或引用類型只能初始化，不能對他們賦值。

初始化列表的成員初始化順序:
C++初始化類成員時，是按照聲明的順序初始化的，而不是按照出現(xiàn)在初始化列表中的順序。

Example:

class CMyClass {
    CMyClass(int x, int y);
    int m_x;
    int m_y;
};
 
CMyClass::CMyClass(int x, int y) : m_y(1), m_x(m_y)
{
}

可能以為上面的代碼將會首先做m_y=1，然后做m_x=m_y，最后它們有相同的值。
但是編譯器先初始化m_x，然后是m_y,，因為它們是按這樣的順序聲明的。結(jié)果是m_x將有一個不可預(yù)測的值。

虛繼承與虛基類

虛繼承：在繼承定義中包含了virtual關(guān)鍵字的繼承關(guān)系；
虛基類：在虛繼承體系中的通過virtual繼承而來的基類；需要注意的是：
class CSubClass : public virtual CBase {};其中CBase稱之為CSubClass 的虛基類，而不是CBase就是個虛基類，因為CBase還可以不不是虛繼承體系 中的基類。
虛繼承是為了解決菱形繼承帶來的二義性問題

菱形繼承.png

虛繼承的目的是讓某個類做出聲明，承諾愿意共享它的基類。其中，這個被共享的基類就稱為虛基類（Virtual Base Class），本例中的 A 就是一個虛基類。在這種機制下，不論虛基類在繼承體系中出現(xiàn)了多少次，在派生類中都只包含一份虛基類的成員。
實際上為了實現(xiàn)虛繼承引入了類似虛函數(shù)表指針的vbptr，vbptr 指的是虛基類表指針（virtual base table pointer），該指針指向了一個虛基類表（virtual table），虛表中記錄了虛基類與本類的偏移地址；通過偏移地址，這樣就找到了虛基類成員，而虛繼承也不用像普通多繼承那樣維持著公共基類（虛基類）的兩份同樣的拷貝，節(jié)省了存儲空間。

純虛函數(shù)

a. 純虛函數(shù)是一個在基類中只有聲明的虛函數(shù),在基類中無定義。要求在任何派生類中都定義自己的版本;
b. 純虛函數(shù)為各派生類提供一個公共界面(接口的封裝和設(shè)計,軟件的模塊功能劃分);
c. 純虛函數(shù)聲明形式:

virtual void func()=0;  //純虛函數(shù)

抽象類

抽象類就是指含有純虛函數(shù)的類，該類不能創(chuàng)建對象，但是可以聲明指針和引用。
一個具有純虛函數(shù)的類稱為抽象類。

//抽象類
class A
{

public:
    virtual void func() = 0;
};

class B:public A
{
public:
    virtual void func()  
    {
        cout << "實現(xiàn)父類的純虛函數(shù)" << endl;
    }
};

int main()
{
    B b;
    b.func();
    return 0;
}

結(jié)論：
(1). 抽象類對象不能做函數(shù)參數(shù),不能創(chuàng)建對象,不能作為函數(shù)返回類型;

A a;(×);            //不能創(chuàng)建抽象類的對象
void func(A a);(×)  //不能做函數(shù)參數(shù)
A func(); (×)       //不能作為函數(shù)的返回值

(2). 可以聲明抽象類指針,可以聲明抽象類的引用;

A * a; (√)         //可以聲明抽象類的指針
A & a; (√)         //可以聲明抽象類的引用

(3). 子類必須繼承父類的純虛函數(shù)才能創(chuàng)建對象。

參考：

1. 虛函數(shù)、虛指針和虛表

2. 虛表和虛指針

3. 虛表指針初始化

4. 參考4：