C++多态与虚函数

文章目录

C++多态和虚函数快速入门教程借助引用也可以实现多态多态的用途
C++虚函数注意事项以及构成多态的条件构成多态的条件什么时候声明虚函数
C++虚析构函数的必要性C++纯虚函数和抽象类详解关于纯虚函数的几点说明

C++虚函数表精讲教程，直戳多态的实现机制C++ typeid运算符：获取类型信息1) 原型：const char* name() const;2) 原型：bool before (const type_info& rhs) const;3) 原型：bool operator== (const type_info& rhs) const;4) 原型：bool operator!= (const type_info& rhs) const;

判断类型是否相等1) 内置类型的比较2) 类的比较

type_info 类的声明
C++ RTTI机制精讲（C++运行时类型识别机制）C++静态绑定和动态绑定，彻底理解多态函数绑定
C++ RTTI机制下的对象内存模型（透彻）

来自于http://c.biancheng.net/cplus/

C++多态和虚函数快速入门教程

在《C++将派生类赋值给基类（向上转型）》一节中讲到，基类的指针也可以指向派生类对象，请看下面的例子：

#include <iostream>
using namespace std;
//基类People
class People{
public:
    People(char *name, int age);
    void display();
protected:
    char *m_name;
    int m_age;
};
People::People(char *name, int age): m_name(name), m_age(age){}
void People::display(){
    cout<<m_name<<"今年"<<m_age<<"岁了，是个无业游民。"<<endl;
}
//派生类Teacher
class Teacher: public People{
public:
    Teacher(char *name, int age, int salary);
    void display();
private:
    int m_salary;
};
Teacher::Teacher(char *name, int age, int salary): People(name, age), m_salary(salary){}
void Teacher::display(){
    cout<<m_name<<"今年"<<m_age<<"岁了，是一名教师，每月有"<<m_salary<<"元的收入。"<<endl;
}
int main(){
    People *p = new People("王志刚", 23);
    p -> display();
    p = new Teacher("赵宏佳", 45, 8200);
    p -> display();
    return 0;
}


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运行结果：
王志刚今年23岁了，是个无业游民。
赵宏佳今年45岁了，是个无业游民。

我们直观上认为，如果指针指向了派生类对象，那么就应该使用派生类的成员变量和成员函数，这符合人们的思维习惯。但是本例的运行结果却告诉我们，当基类指针 p 指向派生类 Teacher 的对象时，虽然使用了 Teacher 的成员变量，但是却没有使用它的成员函数，导致输出结果不伦不类（赵宏佳本来是一名老师，输出结果却显示人家是个无业游民），不符合我们的预期。

换句话说，通过基类指针只能访问派生类的成员变量，但是不能访问派生类的成员函数。

为了消除这种尴尬，让基类指针能够访问派生类的成员函数，C++ 增加了虚函数（Virtual Function）。使用虚函数非常简单，只需要在函数声明前面增加 virtual 关键字。

更改上面的代码，将 display() 声明为虚函数：

#include <iostream>
using namespace std;
//基类People
class People{
public:
    People(char *name, int age);
    virtual void display();  //声明为虚函数
protected:
    char *m_name;
    int m_age;
};
People::People(char *name, int age): m_name(name), m_age(age){}
void People::display(){
    cout<<m_name<<"今年"<<m_age<<"岁了，是个无业游民。"<<endl;
}
//派生类Teacher
class Teacher: public People{
public:
    Teacher(char *name, int age, int salary);
    virtual void display();  //声明为虚函数
private:
    int m_salary;
};
Teacher::Teacher(char *name, int age, int salary): People(name, age), m_salary(salary){}
void Teacher::display(){
    cout<<m_name<<"今年"<<m_age<<"岁了，是一名教师，每月有"<<m_salary<<"元的收入。"<<endl;
}
int main(){
    People *p = new People("王志刚", 23);
    p -> display();
    p = new Teacher("赵宏佳", 45, 8200);
    p -> display();
    return 0;
}


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运行结果：
王志刚今年23岁了，是个无业游民。
赵宏佳今年45岁了，是一名教师，每月有8200元的收入。

和前面的例子相比，本例仅仅是在 display() 函数声明前加了一个virtual关键字，将成员函数声明为了虚函数（Virtual Function），这样就可以通过 p 指针调用 Teacher 类的成员函数了，运行结果也证明了这一点（赵宏佳已经是一名老师了，不再是无业游民了）。

有了虚函数，基类指针指向基类对象时就使用基类的成员（包括成员函数和成员变量），指向派生类对象时就使用派生类的成员。换句话说，基类指针可以按照基类的方式来做事，也可以按照派生类的方式来做事，它有多种形态，或者说有多种表现方式，我们将这种现象称为多态（Polymorphism）。

上面的代码中，同样是p->display();这条语句，当 p 指向不同的对象时，它执行的操作是不一样的。同一条语句可以执行不同的操作，看起来有不同表现方式，这就是多态。

多态是面向对象编程的主要特征之一，C++中虚函数的唯一用处就是构成多态。

C++提供多态的目的是：可以通过基类指针对所有派生类（包括直接派生和间接派生）的成员变量和成员函数进行“全方位”的访问，尤其是成员函数。如果没有多态，我们只能访问成员变量。

前面我们说过，通过指针调用普通的成员函数时会根据指针的类型（通过哪个类定义的指针）来判断调用哪个类的成员函数，但是通过本节的分析可以发现，这种说法并不适用于虚函数，虚函数是根据指针的指向来调用的，指针指向哪个类的对象就调用哪个类的虚函数。

但是话又说回来，对象的内存模型是非常干净的，没有包含任何成员函数的信息，编译器究竟是根据什么找到了成员函数呢？我们将在《C++虚函数表精讲教程，直戳多态的实现机制》一节中给出答案。

借助引用也可以实现多态

引用在本质上是通过指针的方式实现的，这一点已在《C++引用在本质上是什么，它和指针到底有什么区别？》中进行了讲解，既然借助指针可以实现多态，那么我们就有理由推断：借助引用也可以实现多态。

修改上例中 main() 函数内部的代码，用引用取代指针：

int main(){
    People p("王志刚", 23);
    Teacher t("赵宏佳", 45, 8200);
   
    People &rp = p;
    People &rt = t;
   
    rp.display();
    rt.display();
    return 0;
}

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运行结果：
王志刚今年23岁了，是个无业游民。
赵宏佳今年45岁了，是一名教师，每月有8200元的收入。

由于引用类似于常量，只能在定义的同时初始化，并且以后也要从一而终，不能再引用其他数据，所以本例中必须要定义两个引用变量，一个用来引用基类对象，一个用来引用派生类对象。从运行结果可以看出，当基类的引用指代基类对象时，调用的是基类的成员，而指代派生类对象时，调用的是派生类的成员。

不过引用不像指针灵活，指针可以随时改变指向，而引用只能指代固定的对象，在多态性方面缺乏表现力，所以以后我们再谈及多态时一般是说指针。本例的主要目的是让读者知道，除了指针，引用也可以实现多态。

多态的用途

通过上面的例子读者可能还未发现多态的用途，不过确实也是，多态在小项目中鲜有有用武之地。

接下来的例子中，我们假设你正在玩一款军事游戏，敌人突然发动了地面战争，于是你命令陆军、空军及其所有现役装备进入作战状态。具体的代码如下所示：

#include <iostream>
using namespace std;
//军队
class Troops{
public:
    virtual void fight(){ cout<<"Strike back!"<<endl; }
};
//陆军
class Army: public Troops{
public:
    void fight(){ cout<<"--Army is fighting!"<<endl; }
};
//99A主战坦克
class _99A: public Army{
public:
    void fight(){ cout<<"----99A(Tank) is fighting!"<<endl; }
};
//武直10武装直升机
class WZ_10: public Army{
public:
    void fight(){ cout<<"----WZ-10(Helicopter) is fighting!"<<endl; }
};
//长剑10巡航导弹
class CJ_10: public Army{
public:
    void fight(){ cout<<"----CJ-10(Missile) is fighting!"<<endl; }
};
//空军
class AirForce: public Troops{
public:
    void fight(){ cout<<"--AirForce is fighting!"<<endl; }
};
//J-20隐形歼击机
class J_20: public AirForce{
public:
    void fight(){ cout<<"----J-20(Fighter Plane) is fighting!"<<endl; }
};
//CH5无人机
class CH_5: public AirForce{
public:
    void fight(){ cout<<"----CH-5(UAV) is fighting!"<<endl; }
};
//轰6K轰炸机
class H_6K: public AirForce{
public:
    void fight(){ cout<<"----H-6K(Bomber) is fighting!"<<endl; }
};
int main(){
    Troops *p = new Troops;
    p ->fight();
    //陆军
    p = new Army;
    p ->fight();
    p = new _99A;
    p -> fight();
    p = new WZ_10;
    p -> fight();
    p = new CJ_10;
    p -> fight();
    //空军
    p = new AirForce;
    p -> fight();
    p = new J_20;
    p -> fight();
    p = new CH_5;
    p -> fight();
    p = new H_6K;
    p -> fight();
    return 0;
}


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运行结果：
Strike back!
–Army is fighting!
—-99A(Tank) is fighting!
—-WZ-10(Helicopter) is fighting!
—-CJ-10(Missile) is fighting!
–AirForce is fighting!
—-J-20(Fighter Plane) is fighting!
—-CH-5(UAV) is fighting!
—-H-6K(Bomber) is fighting!

这个例子中的派生类比较多，如果不使用多态，那么就需要定义多个指针变量，很容易造成混乱；而有了多态，只需要一个指针变量 p 就可以调用所有派生类的虚函数。

从这个例子中也可以发现，对于具有复杂继承关系的大中型程序，多态可以增加其灵活性，让代码更具有表现力。

C++虚函数注意事项以及构成多态的条件

C++ 虚函数对于多态具有决定性的作用，有虚函数才能构成多态。上节《C++多态和虚函数快速入门教程》我们已经介绍了虚函数的概念，这节我们来重点说一下虚函数的注意事项。

只需要在虚函数的声明处加上 virtual 关键字，函数定义处可以加也可以不加。

为了方便，你可以只将基类中的函数声明为虚函数，这样所有派生类中具有遮蔽关系的同名函数都将自动成为虚函数。关于名字遮蔽已在《C++继承时的名字遮蔽》一节中进行了讲解。

当在基类中定义了虚函数时，如果派生类没有定义新的函数来遮蔽此函数，那么将使用基类的虚函数。

只有派生类的虚函数覆盖基类的虚函数（函数原型相同）才能构成多态（通过基类指针访问派生类函数）。例如基类虚函数的原型为virtual void func();，派生类虚函数的原型为virtual void func(int);，那么当基类指针 p 指向派生类对象时，语句p -> func(100);将会出错，而语句p -> func();将调用基类的函数。

构造函数不能是虚函数。对于基类的构造函数，它仅仅是在派生类构造函数中被调用，这种机制不同于继承。也就是说，派生类不继承基类的构造函数，将构造函数声明为虚函数没有什么意义。

析构函数可以声明为虚函数，而且有时候必须要声明为虚函数，这点我们将在下节中讲解。

构成多态的条件

站在“学院派”的角度讲，封装、继承和多态是面向对象的三大特征，封装、继承分别在《C++类成员的访问权限以及类的封装》《C++继承和派生简明教程》中进行了讲解，而多态是指通过基类的指针既可以访问基类的成员，也可以访问派生类的成员。

下面是构成多态的条件：

必须存在继承关系；继承关系中必须有同名的虚函数，并且它们是覆盖关系（函数原型相同）。存在基类的指针，通过该指针调用虚函数。

下面的例子对各种混乱情形进行了演示：

#include <iostream>
using namespace std;
//基类Base
class Base{
public:
    virtual void func();
    virtual void func(int);
};
void Base::func(){
    cout<<"void Base::func()"<<endl;
}
void Base::func(int n){
    cout<<"void Base::func(int)"<<endl;
}
//派生类Derived
class Derived: public Base{
public:
    void func();
    void func(char *);
};
void Derived::func(){
    cout<<"void Derived::func()"<<endl;
}
void Derived::func(char *str){
    cout<<"void Derived::func(char *)"<<endl;
}
int main(){
    Base *p = new Derived();
    p -> func();  //输出void Derived::func()
    p -> func(10);  //输出void Base::func(int)
    p -> func("http://c.biancheng.net");  //compile error
    return 0;
}


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在基类 Base 中我们将void func()声明为虚函数，这样派生类 Derived 中的void func()就会自动成为虚函数。p 是基类 Base 的指针，但是指向了派生类 Derived 的对象。

语句p -> func();调用的是派生类的虚函数，构成了多态。

语句p -> func(10);调用的是基类的虚函数，因为派生类中没有函数覆盖它。

语句p -> func("http://c.biancheng.net");出现编译错误，因为通过基类的指针只能访问从基类继承过去的成员，不能访问派生类新增的成员。

什么时候声明虚函数

首先看成员函数所在的类是否会作为基类。然后看成员函数在类的继承后有无可能被更改功能，如果希望更改其功能的，一般应该将它声明为虚函数。如果成员函数在类被继承后功能不需修改，或派生类用不到该函数，则不要把它声明为虚函数。

C++虚析构函数的必要性

上节我们讲到，构造函数不能是虚函数，因为派生类不能继承基类的构造函数，将构造函数声明为虚函数没有意义。

这是原因之一，另外还有一个原因：C++ 中的构造函数用于在创建对象时进行初始化工作，在执行构造函数之前对象尚未创建完成，虚函数表尚不存在，也没有指向虚函数表的指针，所以此时无法查询虚函数表，也就不知道要调用哪一个构造函数。下节将会讲解虚函数表的概念。

析构函数用于在销毁对象时进行清理工作，可以声明为虚函数，而且有时候必须要声明为虚函数。

为了说明虚析构函数的必要性，请大家先看下面一个例子：

#include <iostream>
using namespace std;
//基类
class Base{
public:
    Base();
    ~Base();
protected:
    char *str;
};
Base::Base(){
    str = new char[100];
    cout<<"Base constructor"<<endl;
}
Base::~Base(){
    delete[] str;
    cout<<"Base destructor"<<endl;
}
//派生类
class Derived: public Base{
public:
    Derived();
    ~Derived();
private:
    char *name;
};
Derived::Derived(){
    name = new char[100];
    cout<<"Derived constructor"<<endl;
}
Derived::~Derived(){
    delete[] name;
    cout<<"Derived destructor"<<endl;
}
int main(){
   Base *pb = new Derived();
   delete pb;
   cout<<"-------------------"<<endl;
   Derived *pd = new Derived();
   delete pd;
   return 0;
}


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运行结果：
Base constructor
Derived constructor
Base destructor
——————-
Base constructor
Derived constructor
Derived destructor
Base destructor

本例中定义了两个类，基类 Base 和派生类 Derived，它们都有自己的构造函数和析构函数。在构造函数中，会分配 100 个 char 类型的内存空间；在析构函数中，会把这些内存释放掉。

pb、pd 分别是基类指针和派生类指针，它们都指向派生类对象，最后使用 delete 销毁 pb、pd 所指向的对象。

从运行结果可以看出，语句delete pb;只调用了基类的析构函数，没有调用派生类的析构函数；而语句delete pd;同时调用了派生类和基类的析构函数。

在本例中，不调用派生类的析构函数会导致 name 指向的 100 个 char 类型的内存空间得不到释放；除非程序运行结束由操作系统回收，否则就再也没有机会释放这些内存。这是典型的内存泄露。

为什么delete pb;不会调用派生类的析构函数呢？

因为这里的析构函数是非虚函数，通过指针访问非虚函数时，编译器会根据指针的类型来确定要调用的函数；也就是说，指针指向哪个类就调用哪个类的函数，这在前面的章节中已经多次强调过。pb 是基类的指针，所以不管它指向基类的对象还是派生类的对象，始终都是调用基类的析构函数。

为什么delete pd;会同时调用派生类和基类的析构函数呢？

pd 是派生类的指针，编译器会根据它的类型匹配到派生类的析构函数，在执行派生类的析构函数的过程中，又会调用基类的析构函数。派生类析构函数始终会调用基类的析构函数，并且这个过程是隐式完成的，这在《C++析构函数》一节中已经讲到了。

更改上面的代码，将基类的析构函数声明为虚函数：

class Base{
public:
    Base();
    virtual ~Base();
protected:
    char *str;
};

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运行结果：
Base constructor
Derived constructor
Derived destructor
Base destructor
——————-
Base constructor
Derived constructor
Derived destructor
Base destructor

将基类的析构函数声明为虚函数后，派生类的析构函数也会自动成为虚函数。这个时候编译器会忽略指针的类型，而根据指针的指向来选择函数；也就是说，指针指向哪个类的对象就调用哪个类的函数。pb、pd 都指向了派生类的对象，所以会调用派生类的析构函数，继而再调用基类的析构函数。如此一来也就解决了内存泄露的问题。

在实际开发中，一旦我们自己定义了析构函数，就是希望在对象销毁时用它来进行清理工作，比如释放内存、关闭文件等，如果这个类又是一个基类，那么我们就必须将该析构函数声明为虚函数，否则就有内存泄露的风险。也就是说，大部分情况下都应该将基类的析构函数声明为虚函数。

注意，这里强调的是基类，如果一个类是最终的类，那就没必要再声明为虚函数了。

C++纯虚函数和抽象类详解

在C++中，可以将虚函数声明为纯虚函数，语法格式为：

virtual 返回值类型 函数名 (函数参数) = 0;

纯虚函数没有函数体，只有函数声明，在虚函数声明的结尾加上=0，表明此函数为纯虚函数。

最后的=0并不表示函数返回值为0，它只起形式上的作用，告诉编译系统“这是纯虚函数”。

包含纯虚函数的类称为抽象类（Abstract Class）。之所以说它抽象，是因为它无法实例化，也就是无法创建对象。原因很明显，纯虚函数没有函数体，不是完整的函数，无法调用，也无法为其分配内存空间。

抽象类通常是作为基类，让派生类去实现纯虚函数。派生类必须实现纯虚函数才能被实例化。

纯虚函数使用举例：

#include <iostream>
using namespace std;
//线
class Line{
public:
    Line(float len);
    virtual float area() = 0;
    virtual float volume() = 0;
protected:
    float m_len;
};
Line::Line(float len): m_len(len){ }
//矩形
class Rec: public Line{
public:
    Rec(float len, float width);
    float area();
protected:
    float m_width;
};
Rec::Rec(float len, float width): Line(len), m_width(width){ }
float Rec::area(){ return m_len * m_width; }
//长方体
class Cuboid: public Rec{
public:
    Cuboid(float len, float width, float height);
    float area();
    float volume();
protected:
    float m_height;
};
Cuboid::Cuboid(float len, float width, float height): Rec(len, width), m_height(height){ }
float Cuboid::area(){ return 2 * ( m_len*m_width + m_len*m_height + m_width*m_height); }
float Cuboid::volume(){ return m_len * m_width * m_height; }
//正方体
class Cube: public Cuboid{
public:
    Cube(float len);
    float area();
    float volume();
};
Cube::Cube(float len): Cuboid(len, len, len){ }
float Cube::area(){ return 6 * m_len * m_len; }
float Cube::volume(){ return m_len * m_len * m_len; }
int main(){
    Line *p = new Cuboid(10, 20, 30);
    cout<<"The area of Cuboid is "<<p->area()<<endl;
    cout<<"The volume of Cuboid is "<<p->volume()<<endl;
  
    p = new Cube(15);
    cout<<"The area of Cube is "<<p->area()<<endl;
    cout<<"The volume of Cube is "<<p->volume()<<endl;
    return 0;
}


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运行结果：
The area of Cuboid is 2200
The volume of Cuboid is 6000
The area of Cube is 1350
The volume of Cube is 3375

本例中定义了四个类，它们的继承关系为：Line –> Rec –> Cuboid –> Cube。

Line 是一个抽象类，也是最顶层的基类，在 Line 类中定义了两个纯虚函数 area() 和 volume()。

在 Rec 类中，实现了 area() 函数；所谓实现，就是定义了纯虚函数的函数体。但这时 Rec 仍不能被实例化，因为它没有实现继承来的 volume() 函数，volume() 仍然是纯虚函数，所以 Rec 也仍然是抽象类。

直到 Cuboid 类，才实现了 volume() 函数，才是一个完整的类，才可以被实例化。

可以发现，Line 类表示“线”，没有面积和体积，但它仍然定义了 area() 和 volume() 两个纯虚函数。这样的用意很明显：Line 类不需要被实例化，但是它为派生类提供了“约束条件”，派生类必须要实现这两个函数，完成计算面积和体积的功能，否则就不能实例化。

在实际开发中，你可以定义一个抽象基类，只完成部分功能，未完成的功能交给派生类去实现（谁派生谁实现）。这部分未完成的功能，往往是基类不需要的，或者在基类中无法实现的。虽然抽象基类没有完成，但是却强制要求派生类完成，这就是抽象基类的“霸王条款”。

抽象基类除了约束派生类的功能，还可以实现多态。请注意第 51 行代码，指针 p 的类型是 Line，但是它却可以访问派生类中的 area() 和 volume() 函数，正是由于在 Line 类中将这两个函数定义为纯虚函数；如果不这样做，51 行后面的代码都是错误的。我想，这或许才是C++提供纯虚函数的主要目的。

关于纯虚函数的几点说明

一个纯虚函数就可以使类成为抽象基类，但是抽象基类中除了包含纯虚函数外，还可以包含其它的成员函数（虚函数或普通函数）和成员变量。

只有类中的虚函数才能被声明为纯虚函数，普通成员函数和顶层函数均不能声明为纯虚函数。如下例所示：

//顶层函数不能被声明为纯虚函数
void fun() = 0;   //compile error
class base{
public :
    //普通成员函数不能被声明为纯虚函数
    void display() = 0;  //compile error
};

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C++虚函数表精讲教程，直戳多态的实现机制

前面我们一再强调，当通过指针访问类的成员函数时：

如果该函数是非虚函数，那么编译器会根据指针的类型找到该函数；也就是说，指针是哪个类的类型就调用哪个类的函数。其原理已在《C++函数编译原理和成员函数的实现》中讲到。如果该函数是虚函数，并且派生类有同名的函数遮蔽它，那么编译器会根据指针的指向找到该函数；也就是说，指针指向的对象属于哪个类就调用哪个类的函数。这就是多态。

编译器之所以能通过指针指向的对象找到虚函数，是因为在创建对象时额外地增加了虚函数表。

如果一个类包含了虚函数，那么在创建该类的对象时就会额外地增加一个数组，数组中的每一个元素都是虚函数的入口地址。不过数组和对象是分开存储的，为了将对象和数组关联起来，编译器还要在对象中安插一个指针，指向数组的起始位置。这里的数组就是虚函数表（Virtual function table），简写为vtable。

我们以下面的继承关系为例进行讲解：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
//People类
class People{
public:
    People(string name, int age);
public:
    virtual void display();
    virtual void eating();
protected:
    string m_name;
    int m_age;
};
People::People(string name, int age): m_name(name), m_age(age){ }
void People::display(){
    cout<<"Class People："<<m_name<<"今年"<<m_age<<"岁了。"<<endl;
}
void People::eating(){
    cout<<"Class People：我正在吃饭，请不要跟我说话..."<<endl;
}
//Student类
class Student: public People{
public:
    Student(string name, int age, float score);
public:
    virtual void display();
    virtual void examing();
protected:
    float m_score;
};
Student::Student(string name, int age, float score):
    People(name, age), m_score(score){ }
void Student::display(){
    cout<<"Class Student："<<m_name<<"今年"<<m_age<<"岁了，考了"<<m_score<<"分。"<<endl;
}
void Student::examing(){
    cout<<"Class Student："<<m_name<<"正在考试，请不要打扰T啊！"<<endl;
}
//Senior类
class Senior: public Student{
public:
    Senior(string name, int age, float score, bool hasJob);
public:
    virtual void display();
    virtual void partying();
private:
    bool m_hasJob;
};
Senior::Senior(string name, int age, float score, bool hasJob):
    Student(name, age, score), m_hasJob(hasJob){ }
void Senior::display(){
    if(m_hasJob){
        cout<<"Class Senior："<<m_name<<"以"<<m_score<<"的成绩从大学毕业了，并且顺利找到了工作，Ta今年"<<m_age<<"岁。"<<endl;
    }else{
        cout<<"Class Senior："<<m_name<<"以"<<m_score<<"的成绩从大学毕业了，不过找工作不顺利，Ta今年"<<m_age<<"岁。"<<endl;
    }
}
void Senior::partying(){
    cout<<"Class Senior：快毕业了，大家都在吃散伙饭..."<<endl;
}
int main(){
    People *p = new People("赵红", 29);
    p -> display();
    p = new Student("王刚", 16, 84.5);
    p -> display();
    p = new Senior("李智", 22, 92.0, true);
    p -> display();
    return 0;
}


12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364656667686970

运行结果：
Class People：赵红今年29岁了。
Class Student：王刚今年16岁了，考了84.5分。
Class Senior：李智以92的成绩从大学毕业了，并且顺利找到了工作，Ta今年22岁。

各个类的对象内存模型如下所示：

图中左半部分是对象占用的内存，右半部分是虚函数表 vtable。在对象的开头位置有一个指针 vfptr，指向虚函数表，并且这个指针始终位于对象的开头位置。

仔细观察虚函数表，可以发现基类的虚函数在 vtable 中的索引（下标）是固定的，不会随着继承层次的增加而改变，派生类新增的虚函数放在 vtable 的最后。如果派生类有同名的虚函数遮蔽（覆盖）了基类的虚函数，那么将使用派生类的虚函数替换基类的虚函数，这样具有遮蔽关系的虚函数在 vtable 中只会出现一次。

当通过指针调用虚函数时，先根据指针找到 vfptr，再根据 vfptr 找到虚函数的入口地址。以虚函数 display() 为例，它在 vtable 中的索引为 0，通过 p 调用时：

p -> display();

编译器内部会发生类似下面的转换：

( *( *(p+0) + 0 ) )§;

下面我们一步一步来分析这个表达式：

0是 vfptr 在对象中的偏移，p+0是 vfptr 的地址；*(p+0)是 vfptr 的值，而 vfptr 是指向 vtable 的指针，所以*(p+0)也就是 vtable 的地址；display() 在 vtable 中的索引（下标）是 0，所以( *(p+0) + 0 )也就是 display() 的地址；知道了 display() 的地址，( *( *(p+0) + 0 ) )(p)也就是对 display() 的调用了，这里的 p 就是传递的实参，它会赋值给 this 指针。

可以看到，转换后的表达式是固定的，只要调用 display() 函数，不管它是哪个类的，都会使用这个表达式。换句话说，编译器不管 p 指向哪里，一律转换为相同的表达式。

转换后的表达式没有用到与 p 的类型有关的信息，只要知道 p 的指向就可以调用函数，这跟名字编码（Name Mangling）算法有着本质上的区别。

再来看一下 eating() 函数，它在 vtable 中的索引为 1，通过 p 调用时：

p -> eating();

编译器内部会发生类似下面的转换：

( *( *(p+0) + 1 ) )§;

对于不同的虚函数，仅仅改变索引（下标）即可。

以上是针对单继承进行的讲解。当存在多继承时，虚函数表的结构就会变得复杂，尤其是有虚继承时，还会增加虚基类表，更加让人抓狂，这里我们就不分析了，有兴趣的读者可以自行研究。

C++ typeid运算符：获取类型信息

typeid 运算符用来获取一个表达式的类型信息。类型信息对于编程语言非常重要，它描述了数据的各种属性：

对于基本类型（int、float 等C++内置类型）的数据，类型信息所包含的内容比较简单，主要是指数据的类型。对于类类型的数据（也就是对象），类型信息是指对象所属的类、所包含的成员、所在的继承关系等。

类型信息是创建数据的模板，数据占用多大内存、能进行什么样的操作、该如何操作等，这些都由它的类型信息决定。

typeid 的操作对象既可以是表达式，也可以是数据类型，下面是它的两种使用方法：

typeid( dataType )
typeid( expression )

dataType 是数据类型，expression 是表达式，这和 sizeof 运算符非常类似，只不过 sizeof 有时候可以省略括号( )，而 typeid 必须带上括号。

typeid 会把获取到的类型信息保存到一个 type_info 类型的对象里面，并返回该对象的常引用；当需要具体的类型信息时，可以通过成员函数来提取。typeid 的使用非常灵活，请看下面的例子（只能在 VC/VS 下运行）：

#include <iostream>
#include <typeinfo>
using namespace std;
class Base{ };
struct STU{ };
int main(){
    //获取一个普通变量的类型信息
    int n = 100;
    const type_info &nInfo = typeid(n);
    cout<<nInfo.name()<<" | "<<nInfo.raw_name()<<" | "<<nInfo.hash_code()<<endl;
    //获取一个字面量的类型信息
    const type_info &dInfo = typeid(25.65);
    cout<<dInfo.name()<<" | "<<dInfo.raw_name()<<" | "<<dInfo.hash_code()<<endl;
    //获取一个对象的类型信息
    Base obj;
    const type_info &objInfo = typeid(obj);
    cout<<objInfo.name()<<" | "<<objInfo.raw_name()<<" | "<<objInfo.hash_code()<<endl;
    //获取一个类的类型信息
    const type_info &baseInfo = typeid(Base);
    cout<<baseInfo.name()<<" | "<<baseInfo.raw_name()<<" | "<<baseInfo.hash_code()<<endl;
    //获取一个结构体的类型信息
    const type_info &stuInfo = typeid(struct STU);
    cout<<stuInfo.name()<<" | "<<stuInfo.raw_name()<<" | "<<stuInfo.hash_code()<<endl;
    //获取一个普通类型的类型信息
    const type_info &charInfo = typeid(char);
    cout<<charInfo.name()<<" | "<<charInfo.raw_name()<<" | "<<charInfo.hash_code()<<endl;
    //获取一个表达式的类型信息
    const type_info &expInfo = typeid(20 * 45 / 4.5);
    cout<<expInfo.name()<<" | "<<expInfo.raw_name()<<" | "<<expInfo.hash_code()<<endl;
    return 0;
}


12345678910111213141516171819202122232425262728293031

运行结果：
int | .H | 529034928
double | .N | 667332678
class Base | .?AVBase@@ | 1035034353
class Base | .?AVBase@@ | 1035034353
struct STU | .?AUSTU@@ | 734635517
char | .D | 4140304029
double | .N | 667332678

从本例可以看出，typeid 的使用非常灵活，它的操作数可以是普通变量、对象、内置类型（int、float等）、自定义类型（结构体和类），还可以是一个表达式。

本例中还用到了 type_info 类的几个成员函数，下面是对它们的介绍：

name() 用来返回类型的名称。raw_name() 用来返回名字编码（Name Mangling）算法产生的新名称。关于名字编码的概念，我们已在《C++函数编译原理和成员函数的实现》中讲到。hash_code() 用来返回当前类型对应的 hash 值。hash 值是一个可以用来标志当前类型的整数，有点类似学生的学号、公民的身份证号、银行卡号等。不过 hash 值有赖于编译器的实现，在不同的编译器下可能会有不同的整数，但它们都能唯一地标识某个类型。

遗憾的是，C++ 标准只对 type_info 类做了很有限的规定，不仅成员函数少，功能弱，而且各个平台的实现不一致。例如上面代码中的 name() 函数，nInfo.name()、objInfo.name()在 VC/VS 下的输出结果分别是int和class Base，而在 GCC 下的输出结果分别是i和4Base。

C++ 标准规定，type_info 类至少要有如下所示的 4 个 public 属性的成员函数，其他的扩展函数编译器开发者可以自由发挥，不做限制。

1) 原型：const char* name() const;

返回一个能表示类型名称的字符串。但是C++标准并没有规定这个字符串是什么形式的，例如对于上面的objInfo.name()语句，VC/VS 下返回“class Base”，但 GCC 下返回“4Base”。

2) 原型：bool before (const type_info& rhs) const;

判断一个类型是否位于另一个类型的前面，rhs 参数是一个 type_info 对象的引用。但是C++标准并没有规定类型的排列顺序，不同的编译器有不同的排列规则，程序员也可以自定义。要特别注意的是，这个排列顺序和继承顺序没有关系，基类并不一定位于派生类的前面。

3) 原型：bool operator== (const type_info& rhs) const;

重载运算符“==”，判断两个类型是否相同，rhs 参数是一个 type_info 对象的引用。

4) 原型：bool operator!= (const type_info& rhs) const;

重载运算符“!=”，判断两个类型是否不同，rhs 参数是一个 type_info 对象的引用。

关于运算符重载，我们将在《C++运算符重载》一章中详细讲解。

raw_name() 是 VC/VS 独有的一个成员函数，hash_code() 在 VC/VS 和较新的 GCC 下有效。

可以发现，不像 Java、C# 等动态性较强的语言，C++ 能获取到的类型信息非常有限，也没有统一的标准，如同“鸡肋”一般，大部分情况下我们只是使用重载过的“==”运算符来判断两个类型是否相同。

判断类型是否相等

typeid 运算符经常被用来判断两个类型是否相等。

1) 内置类型的比较

例如有下面的定义：

char *str;
int a = 2;
int b = 10;
float f;

1234

类型判断结果为：

类型比较	结果	类型比较	结果
typeid(int) == typeid(int)	true	typeid(int) == typeid(char)	false
typeid(char*) == typeid(char)	false	typeid(str) == typeid(char*)	true
typeid(a) == typeid(int)	true	typeid(b) == typeid(int)	true
typeid(a) == typeid(a)	true	typeid(a) == typeid(b)	true
typeid(a) == typeid(f)	false	typeid(a/b) == typeid(int)	true

typeid 返回 type_info 对象的引用，而表达式typeid(a) == typeid(b)的结果为 true，可以说明，一个类型不管使用了多少次，编译器都只为它创建一个对象，所有 typeid 都返回这个对象的引用。

需要提醒的是，为了减小编译后文件的体积，编译器不会为所有的类型创建 type_info 对象，只会为使用了 typeid 运算符的类型创建。不过有一种特殊情况，就是带虚函数的类（包括继承来的），不管有没有使用 typeid 运算符，编译器都会为带虚函数的类创建 type_info 对象，我们将在《C++ RTTI机制精讲（C++运行时类型识别机制）》中展开讲解。

2) 类的比较

例如有下面的定义：

class Base{};
class Derived: public Base{};
Base obj1;
Base *p1;
Derived obj2;
Derived *p2 = new Derived;
p1 = p2;

1234567

类型判断结果为：

类型比较	结果	类型比较	结果
typeid(obj1) == typeid(p1)	false	typeid(obj1) == typeid(*p1)	true
typeid(&obj1) == typeid(p1)	true	typeid(obj1) == typeid(obj2)	false
typeid(obj1) == typeid(Base)	true	typeid(*p1) == typeid(Base)	true
typeid(p1) == typeid(Base*)	true	typeid(p1) == typeid(Derived*)	false

表达式typeid(*p1) == typeid(Base)和typeid(p1) == typeid(Base*)的结果为 true 可以说明：即使将派生类指针 p2 赋值给基类指针 p1，p1 的类型仍然为 Base*。

type_info 类的声明

最后我们再来看一下 type_info 类的声明，以进一步了解它所包含的成员函数以及这些函数的访问权限。type_info 类位于typeinfo头文件，声明形式类似于：

class type_info {
public:
    virtual ~type_info();
    int operator==(const type_info& rhs) const;
    int operator!=(const type_info& rhs) const;
    int before(const type_info& rhs) const;
    const char* name() const;
    const char* raw_name() const;
private:
    void *_m_data;
    char _m_d_name[1];
    type_info(const type_info& rhs);
    type_info& operator=(const type_info& rhs);
};

1234567891011121314

它的构造函数是 private 属性的，所以不能在代码中直接实例化，只能由编译器在内部实例化（借助友元）。而且还重载了“=”运算符，也是 private 属性的，所以也不能赋值。

C++ RTTI机制精讲（C++运行时类型识别机制）

一般情况下，在编译期间就能确定一个表达式的类型，但是当存在多态时，有些表达式的类型在编译期间就无法确定了，必须等到程序运行后根据实际的环境来确定。下面的例子演示了这种情况：

#include <iostream>
using namespace std;
//基类
class Base{
public:
    virtual void func();
protected:
    int m_a;
    int m_b;
};
void Base::func(){ cout<<"Base"<<endl; }
//派生类
class Derived: public Base{
public:
    void func();
private:
    int m_c;
};
void Derived::func(){ cout<<"Derived"<<endl; }
int main(){
    Base *p;
    int n;
  
    cin>>n;
    if(n <= 100){
        p = new Base();
    }else{
        p = new Derived();
    }
    cout<<typeid(*p).name()<<endl;
    return 0;
}


1234567891011121314151617181920212223242526272829303132

输入 45，运行结果为：

45↙
class Base

输入 130，运行结果为：

130↙
class Derived

基类 Base 包含了一个虚函数，派生类 Derived 又定义了一个原型相同的函数遮蔽了它，这就构成了多态。p 是基类的指针，可以指向基类对象，也可以指向派生类对象；*p表示 p 指向的对象。

从代码中可以看出，用户输入的数字不同，*p表示的对象就不同，typeid 获取到的类型也就不同，编译器在编译期间无法预估用户的输入，所以无法确定*p的类型，必须等到程序真的运行了、用户输入完毕了才能确定*p的类型。

根据前面讲过的知识，C++ 的对象内存模型主要包含了以下几个方面的内容：

如果没有虚函数也没有虚继承，那么对象内存模型中只有成员变量。如果类包含了虚函数，那么会额外添加一个虚函数表，并在对象内存中插入一个指针，指向这个虚函数表。如果类包含了虚继承，那么会额外添加一个虚基类表，并在对象内存中插入一个指针，指向这个虚基类表。

现在我们要补充的一点是，如果类包含了虚函数，那么该类的对象内存中还会额外增加类型信息，也即 type_info 对象。以上面的代码为例，Base 和 Derived 的对象内存模型如下图所示：

编译器会在虚函数表 vftable 的开头插入一个指针，指向当前类对应的 type_info 对象。当程序在运行阶段获取类型信息时，可以通过对象指针 p 找到虚函数表指针 vfptr，再通过 vfptr 找到 type_info 对象的指针，进而取得类型信息。下面的代码演示了这种转换过程：

**(p->vfptr – 1)

程序运行后，不管 p 指向 Base 类对象还是指向 Derived 类对象，只要执行这条语句就可以取得 type_info 对象。

编译器在编译阶段无法确定 p 指向哪个对象，也就无法获取*p的类型信息，但是编译器可以在编译阶段做好各种准备，这样程序在运行后可以借助这些准备好的数据来获取类型信息。这些准备包括：

创建 type_info 对象，并在 vftable 的开头插入一个指针，指向 type_info 对象。将获取类型信息的操作转换成类似**(p->vfptr - 1)这样的语句。

这样做虽然会占用更多的内存，效率也降低了，但这是没办法的事情，编译器实在是无能为力了。

这种在程序运行后确定对象的类型信息的机制称为运行时类型识别（Run-Time Type Identification，RTTI）。在 C++ 中，只有类中包含了虚函数时才会启用 RTTI 机制，其他所有情况都可以在编译阶段确定类型信息。

下面是 RTTI 机制的一个具体应用，可以让代码根据不同的类型进行不同的操作：

#include <iostream>
using namespace std;
//基类
class People{
public:
    virtual void func(){ }
};
//派生类
class Student: public People{ };
int main(){
    People *p;
    int n;
  
    cin>>n;
    if(n <= 100){
        p = new People();
    }else{
        p = new Student();
    }
    //根据不同的类型进行不同的操作
    if(typeid(*p) == typeid(People)){
        cout<<"I am human."<<endl;
    }else{
        cout<<"I am a student."<<endl;
    }
    return 0;
}


123456789101112131415161718192021222324252627

可能的运行结果：
83↙
I am human.

多态（Polymorphism）是面向对象编程的一个重要特征，它极大地增加了程序的灵活性，C++、C#、Java 等“正统的”面向对象编程语言都支持多态。但是支持多态的代价也是很大的，有些信息在编译阶段无法确定下来，必须提前做好充足的准备，让程序运行后再执行一段代码获取，这会消耗更多的内存和 CPU 资源。

C++静态绑定和动态绑定，彻底理解多态

C/C++ 用变量来存储数据，用函数来定义一段可以重复使用的代码，它们最终都要放到内存中才能供 CPU 使用。CPU 通过地址来取得内存中的代码和数据，程序在执行过程中会告知 CPU 要执行的代码以及要读写的数据的地址。

CPU 访问内存时需要的是地址，而不是变量名和函数名！变量名和函数名只是地址的一种助记符，当源文件被编译和链接成可执行程序后，它们都会被替换成地址。编译和链接过程的一项重要任务就是找到这些名称所对应的地址。

假设变量 a、b、c 在内存中的地址分别是 0X1000、0X2000、0X3000，那么加法运算c = a + b;将会被转换成类似下面的形式：

0X3000 = (0X1000) + (0X2000);

( )表示取值操作，整个表达式的意思是，取出地址 0X1000 和 0X2000 上的值，将它们相加，把相加的结果赋值给地址为 0X3000 的内存。

变量名和函数名为我们提供了方便，让我们在编写代码的过程中可以使用易于阅读和理解的英文字符串，不用直接面对二进制地址，那场景简直让人崩溃。

我们不妨将变量名和函数名统称为符号（Symbol），找到符号对应的地址的过程叫做符号绑定。本节只讨论函数名和地址的绑定，变量名也是类似的道理。

函数绑定

我们知道，函数调用实际上是执行函数体中的代码。函数体是内存中的一个代码段，函数名就表示该代码段的首地址，函数执行时就从这里开始。说得简单一点，就是必须要知道函数的入口地址，才能成功调用函数。

找到函数名对应的地址，然后将函数调用处用该地址替换，这称为函数绑定。

一般情况下，在编译期间（包括链接期间）就能找到函数名对应的地址，完成函数的绑定，程序运行后直接使用这个地址即可。这称为静态绑定（Static binding）。

但是有时候在编译期间想尽所有办法都不能确定使用哪个函数，必须要等到程序运行后根据具体的环境或者用户操作才能决定。这称为动态绑定（dynamic binding）。

C++ 是一门静态性的语言，会尽力在编译期间找到函数的地址，以提高程序的运行效率，但是有时候实在没办法，只能等到程序运行后再执行一段代码（很少的代码）才能找到函数的地址。

上节我们讲到，通过p -> display();语句调用 display() 函数时会转换为下面的表达式：

( *( *(p+0) + 0 ) )§;

这里的 p 有可能指向 People 类的对象，也可能指向 Student 或 Senior 类的对象，编译器不能提前假设 p 指向哪个对象，也就不能确定调用哪个函数，所以编译器干脆不管了，p 爱指向哪个对象就指向哪个对象，等到程序运行后执行一下这个表达式自然就知道了。

有读者可能会问，对于下面的语句：

p = new Senior("李智", 22, 92.0, true);
p -> display();

12

p 不是已经确定了指向 Senior 类的对象吗，难道编译器不知道吗？对，编译器编译到第二条语句的时候如果向前逆推一下，确实能够知道 p 指向 Senior 类的对象。但是，如果是下面的情况呢？

int n;
cin>>n;
if(n > 100){
    p = new Student("王刚", 16, 84.5);
}else{
    p = new Senior("李智", 22, 92.0, true);
}
p -> display();

12345678

如果用户输入的数字大于 100，那么 p 指向 Student 类的对象，否则就指向 Senior 类的对象，这种情况编译器如何逆推呢？鬼知道用户输入什么数字！所以编译器干脆不会向前逆推，因为编译器不知道前方是什么情况，可能会很复杂，它也无能为力。

这就是动态绑定的本质：编译器在编译期间不能确定指针指向哪个对象，只能等到程序运行后根据具体的情况再决定。

C++ RTTI机制下的对象内存模型（透彻）

上节所示的 Base 和 Derived 的对象内存模型非常简单，读者也很容易理解，它满足了 typeid 运算符在程序运行期间动态地获取表达式的类型信息的需求。在 C++ 中，除了 typeid 运算符，dynamic_cast 运算符和异常处理也依赖于 RTTI 机制，并且要能够通过派生类获取基类的信息，或者说要能够判断一个类是否是另一个类的基类，这样上节讲到的内存模型就不够用了，我们必须要在基类和派生类之间再增加一条绳索，把它们连接起来，形成一条通路，让程序在各个对象之间游走。在面向对象的编程语言中，我们称此为继承链（Inheritance Chain）。

关于 dynamic_cast 运算符和异常处理我们将在后续章节中讲解，这里读者只需要知道它们依赖于 RTTI 机制。

将基类和派生类连接起来很容易，只需要在基类对象中增加一个指向派生类对象的指针，然而考虑到多继承、降低内存使用等诸多方面的因素，真正的对象内存模型比上节讲到的要复杂很多，并且不同的编译器有不同的实现（C++ 标准并没有对对象内存模型的细节做出规定）。

我们以下面的代码为例来展示 Visual C++ 下真正的对象内存模型：

class A{
protected:
    int a1;
public:
    virtual int A_virt1();
    virtual int A_virt2();
    static void A_static1();
    void A_simple1();
};
class B{
protected:
    int b1;
    int b2;
public:
    virtual int B_virt1();
    virtual int B_virt2();
};
class C: public A, public B{
protected:
    int c1;
public:
    virtual int A_virt2();
    virtual int B_virt2();
};


123456789101112131415161718192021222324

最终的内存模型如下所示（猛击图片可查看大图）：

图片来源于 http://www.openrce.org/articles/full_view/23，红色是我加的说明。

从图中可以看出，对于有虚函数的类，内存模型中除了有虚函数表，还会额外增加好几个表，以维护当前类和基类的信息，空间上的开销不小。typeid(type).name() 方法返回的类名就来自“当前类的信息表”。

如果你希望深入了解上图的结构，请查看下面几篇文章：

VC++逆向：类、方法和 RTTIRTTI结构详细分析(VC++)C++中RTTI机制剖析C++ dynamic_cast实现原理dynamic_cast, RTTI， 整理

typeid 经过固定次数的间接转换返回 type_info 对象，间接次数不会随着继承层次的增加而增加，对效率的影响很小，读者可以放心使用。而 dynamic_cast 运算符和异常处理不仅要经过数次间接转换，还要遍历继承链，如果继承层次较深，那么它们的性能堪忧，读者应当谨慎使用！

类型是表达式的一个属性，不同的类型支持不同的操作，例如class Student类型的表达式可以调用 display() 方法，int类型的表达式就不行。类型对于编程语言来说非常重要，编译器内部有一个类型系统来维护表达式的各种信息。

在 C/C++ 中，变量、函数参数、函数返回值等在定义时都必须显式地指明类型，并且一旦指明类型后就不能再更改了，所以大部分表达式的类型都能够精确的推测出来，编译器在编译期间就能够搞定这些事情，这样的编程语言称为静态语言（Static Language）。除了 C/C++，典型的静态语言还有 Java、C#、Haskell、Scala 等。

静态语言在定义变量时通常需要显式地指明类型，并且在编译期间会拼尽全力来确定表达式的类型信息，只有在万不得已时才让程序等到运行后动态地获取类型信息（例如多态），这样做可以提高程序运行效率，降低内存消耗。

与静态语言（Static Language）相对的是动态语言（Dynamic Language）。动态语言在定义变量时往往不需要指明类型，并且变量的类型可以随时改变（赋给它不同类型的数据），编译器在编译期间也不容易确定表达式的类型信息，只能等到程序运行后再动态地获取。典型的动态语言有 JavaScript、Python、PHP、Perl、Ruby 等。

动态语言为了能够使用灵活，部署简单，往往是一边编译一边执行，模糊了传统的编译和运行的过程。例如 JavaScript 主要用来给网页添加各种特效（这是一种简单的理解），浏览器访问一个页面时会从服务器上下载 JavaScript 源文件，并负责编译和运行它。如果我们提前将 JavaScript 源码编译成可执行文件，那么这个文件就会比较大，下载就会更加耗时，结果就是网页打开速度非常慢，这在网络不发达的早期是不能忍受的。

总起来说，静态语言由于类型的限制会降低编码的速度，但是它的执行效率高，适合开发大型的、系统级的程序；动态语言则比较灵活，编码简单，部署容易，在 Web 开发中大显身手。