C++封装、继承、多态（虚函数、虚指针、虚表）
2016-08-23 20:38
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关于虚函数的背景知识
用virtual关键字申明的函数叫做虚函数，虚函数肯定是类的成员函数。
存在虚函数的类都有一个一维的虚函数表叫做虚表。类的对象有一个指向虚表开始的虚指针。虚表是和类对应的，虚表指针是和对象对应的。
多态性是一个接口多种实现，是面向对象的核心。分为类的多态性和函数的多态性。
多态用虚函数来实现，结合动态绑定。
纯虚函数是虚函数再加上= 0。并且该函数只有声明，没有实现。
抽象类是指包括至少一个纯虚函数的类。
那虚函数是如何运行的呢？
Cpp代码
class Base
{
public:
virtual void func() {}
}
class Derive : public Base
{
public:
void func() {}
}
void main()
{
Derive d;
Base *pb = &d;
b->func();
}
编译器在编译的时候，发现Base类中有虚函数，此时编译器会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，在这个数组中存放每个虚函数的地址。由于Base类和Derive类都包含了一个虚函数func()，编译器会为这两个类都建立一个虚表，（即使子类里面没有virtual函数，但是其父类里面有，所以子类中也有了）
那么如何定位虚表呢？编译器另外还为每个类的对象提供了一个虚表指针（即vptr），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，从而让vptr正确的指向所属类的虚表。所以在调用虚函数时，就能够找到正确的函数。
对于上述程序，由于pb实际指向的对象类型是Derive，因此vptr指向的Derive类的vtable，当调用pb->func()时，根据虚表中的函数地址找到的就是Derive类的func()函数。
正是由于每个对象调用的虚函数都是通过虚表指针来索引的，也就决定了虚表指针的正确初始化是非常重要的。换句话说，在虚表指针没有正确初始化之前，我们不能够去调用虚函数。那么虚表指针在什么时候，或者说在什么地方初始化呢？
答案是在构造函数中进行虚表的创建和虚表指针的初始化。
还记得构造函数的调用顺序吗，在构造子类对象时，要先调用父类的构造函数，此时编译器只“看到了”父类，并不知道后面是否后还有继承者，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。对于以上的例子，当Derive类的d对象构造完毕后，其内部的虚表指针也就被初始化为指向Derive类的虚表。在类型转换后，调用pb->func()，由于pb实际指向的是Derive类的对象，该对象内部的虚表指针指向的是Derive类的虚表，因此最终调用的是Derive类的func()函数。
要注意：对于虚函数调用来说，每一个对象内部都有一个虚表指针，该虚表指针被初始化为本类的虚表。所以在程序中，不管你的对象类型如何转换，但该对象内部的虚表指针是固定的，所以呢，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）：
每一个类都有虚表。
虚表可以继承，如果子类没有重写虚函数，那么子类虚表中仍然会有该函数的地址，只不过这个地址指向的是基类的虚函数实现。如果基类有3个虚函数，那么基类的虚表中就有三项（虚函数地址），派生类也会有虚表，至少有三项，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。
派生类的虚表中虚函数地址的排列顺序和基类的虚表中虚函数地址排列顺序相同。
C++封装继承多态总结
面向对象的三个基本特征
面向对象的三个基本特征是：封装、继承、多态。其中，封装可以隐藏实现细节，使得代码模块化；继承可以扩展已存在的代码模块（类）；它们的目的都是为了——代码重用。而多态则是为了实现另一个目的——接口重用！
封装
什么是封装？
封装可以隐藏实现细节，使得代码模块化；封装是把过程和数据包围起来，对数据的访问只能通过已定义的界面。面向对象计算始于这个基本概念，即现实世界可以被描绘成一系列完全自治、封装的对象，这些对象通过一个受保护的接口访问其他对象。在面向对象编程上可理解为：把客观事物封装成抽象的类，并且类可以把自己的数据和方法只让可信的类或者对象操作，对不可信的进行信息隐藏。
继承
什么是继承？
继承是指这样一种能力：它可以使用现有类的所有功能，并在无需重新编写原来的类的情况下对这些功能进行扩展。其继承的过程，就是从一般到特殊的过程。
通过继承创建的新类称为“子类”或“派生类”。被继承的类称为“基类”、“父类”或“超类”。要实现继承，可以通过“继承”（Inheritance）和“组合”（Composition）来实现。在某些 OOP 语言中，一个子类可以继承多个基类。但是一般情况下，一个子类只能有一个基类，要实现多重继承，可以通过多级继承来实现。
继承的实现方式？
继承概念的实现方式有三类：实现继承、接口继承和可视继承。
1. 实现继承是指使用基类的属性和方法而无需额外编码的能力；
2. 接口继承是指仅使用属性和方法的名称、但是子类必须提供实现的能力；
3. 可视继承是指子窗体（类）使用基窗体（类）的外观和实现代码的能力。
多态
什么是多态？
多态性（polymorphisn）是允许你将父对象设置成为和一个或更多的他的子对象相等的技术，赋值之后，父对象就可以根据当前赋值给它的子对象的特性以不同的方式运作。简单的说，就是一句话：允许将子类类型的指针赋值给父类类型的指针。
例子：（2012某**软件公司笔试题）
请按顺序写出下面代码的输出结果：
答案：call child func
call ~child
call ~base
多态的实现方式分析？
实现多态，有二种方式，覆盖，重载。覆盖：是指子类重新定义父类的虚函数的做法。重载：是指允许存在多个同名函数，而这些函数的参数表不同（或许参数个数不同，或许参数类型不同，或许两者都不同）。
分析：
“重载”是指在同一个类中相同的返回类型和方法名，但是参数的个数和类型可以不同
“覆盖\重写”是在不同的类中。
其实，重载的概念并不属于“面向对象编程”，重载的实现是：编译器根据函数不同的参数表，对同名函数的名称做修饰，然后这些同名函数就成了不同的函数（至少对于编译器来说是这样的）。如，有两个同名函数：function
func(p:integer):integer;和function func(p:string):integer;。那么编译器做过修饰后的函数名称可能是这样的：int_func、str_func。对于这两个函数的调用，在编译器间就已经确定了，是静态的（记住：是静态）。也就是说，它们的地址在编译期就绑定了（早绑定），因此，重载和多态无关！真正和多态相关的是“覆盖”。当子类重新定义了父类的虚函数后，父类指针根据赋给它的不同的子类指针，动态（记住：是动态！）的调用属于子类的该函数，这样的函数调用在编译期间是无法确定的（调用的子类的虚函数的地址无法给出）。因此，这样的函数地址是在运行期绑定的（晚邦定）。结论就是：重载只是一种语言特性，与多态无关，与面向对象也无关！引用一句Bruce
Eckel的话：“不要犯傻，如果它不是晚邦定，它就不是多态。”
C++多态机制的实现：
该部分转自：http://blog.chinaunix.net/uid-7396260-id-2056657.html
1、c++实现多态的方法
面向对象有了一个重要的概念就是对象的实例，对象的实例代表一个具体的对象，故其肯定有一个数据结构保存这实例的数据，这一数据包括对象成员变量，如果对象有虚函数方法或存在虚继承的话，则还有相应的虚函数或虚表指针，其他函数指针不包括。
虚函数在c++中的实现机制就是用虚表和虚指针，但是具体是怎样的呢？从more effecive c++其中一篇文章里面可以知道：是每个类用了一个虚表，每个类的对象用了一个虚指针。要讲虚函数机制，必须讲继承，因为只有继承才有虚函数的动态绑定功能，先讲下c++继承对象实例内存分配基础知识：
从more effecive c++其中一篇文章里面可以知道：是每个类用了一个虚表，每个类的对象用了一个虚指针。具体的用法如下：
class A
{public:
virtual void f();
virtual void g();
private:
int a
};
class B : public A
{
public:
void g();
private:
int b;
};
//A，B的实现省略
因为A有virtual void f（），和g（），所以编译器为A类准备了一个虚表vtableA，内容如下：
| A::f 的地址 |
| A::g 的地址 |
| A::f 的地址 |
| B::g 的地址 |
| vptr ： 指向B的虚表vtableB |
| int a： 继承A的成员 |
| int b： B成员 |
A *pa = &bB;
pa的结构就是A的布局（就是说用pa只能访问的到bB对象的前两项，访问不到第三项int b）
那么pa->g()中，编译器知道的是，g是一个声明为virtual的成员函数，而且其入口地址放在表格（无论是vtalbeA表还是vtalbeB表）的第2项，那么编译器编译这条语句的时候就如是转换：call *(pa->vptr)[1]（C语言的数组索引从0开始哈~）。
这一项放的是B：：g()的入口地址，则就实现了多态。（注意bB的vptr指向的是B的虚表vtableB）
另外要注意的是，如上的实现并不是唯一的，C++标准只要求用这种机制实现多态，至于虚指针vptr到底放在一个对象布局的哪里，标准没有要求，每个编译器自己决定。我以上的结果是根据g++ 4.3.4经过反汇编分析出来的。
2、两种多态实现机制及其优缺点
除了c++的这种多态的实现机制之外，还有另外一种实现机制，也是查表，不过是按名称查表，是smalltalk等语言的实现机制。这两种方法的优缺点如下：
（1）、按照绝对位置查表，这种方法由于编译阶段已经做好了索引和表项(如上面的call *(pa->vptr[1]） )，所以运行速度比较快;缺点是：当A的virtual成员比较多（比如1000个），而B重写的成员比较少（比如2个），这种时候，B的vtableＢ的剩下的998个表项都是放Ａ中的virtual成员函数的指针，如果这个派生体系比较大的时候，就浪费了很多的空间。
比如：GUI库，以MFC库为例，MFC有很多类，都是一个继承体系；而且很多时候每个类只是1、2个成员函数需要在派生类重写，如果用Ｃ＋＋的虚函数机制，每个类有一个虚表，每个表里面有大量的重复，就会造成空间利用率不高。于是ＭＦＣ的消息映射机制不用虚函数，而用第二种方法来实现多态，那就是：
（２）、按照函数名称查表，这种方案可以避免如上的问题；但是由于要比较名称，有时候要遍历所有的继承结构，时间效率性能不是很高。（关于MFC的消息映射的实现，看下一篇文章）
３、总结：
如果继承体系的基类的virtual成员不多，而且在派生类要重写的部分占了其中的大多数时候，用C++的虚函数机制是比较好的；但是如果继承体系的基类的virtual成员很多，或者是继承体系比较庞大的时候，而且派生类中需要重写的部分比较少，那就用名称查找表，这样效率会高一些，很多的GUI库都是这样的，比如MFC，QT
PS 其实，自从计算机出现之后，时间和空间就成了永恒的主题，因为两者在98%的情况下都无法协调，此长彼消；这个就是计算机科学中的根本瓶颈之所在。软件科学和算法的发展，就看能不能突破这对时空权衡了。呵呵
何止计算机科学如此，整个宇宙又何尝不是如此呢？最基本的宇宙之谜，还是时间和空间~
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