【面试八股总结】面向对象三大特性、虚函数、纯虚函数、虚继承

参考资料：阿秀

一、面向对象三大特性

封装：将数据和代码捆绑在一起，避免外界干扰和不确定性访问

继承：让某种类型对象获得另一个类型对象的属性和方法

多态：同一种事务表现出不同事务的能力，即：向不同对象发送同一消息，不同的对象在接收时会产生不同的行为

重载实现编译时多态，虚函数实现运行时多态。

实现多态的两种方式：

覆盖：子类重新定义父类的虚函数做法
重载：允许存在多个同名函数，而这些函数的参数表不同（参数个数不同、或者参类型不同、或者两者都不同）

二、虚函数

在基类的函数前加上virtual关键字，在派生类中重写该函数，运行时将会根据所指对象的实际类型来调用相应的函数，如果对象类型是派生类，就调用派生类的函数，如果对象类型是基类，就调用基类的函数。

底层原理：

虚表: 虚函数表的缩写，类中含有virtual关键字修饰的方法时，编译器会自动生成虚表
虚表指针: 在含有虚函数的类实例化对象时，对象地址的前四个字节存储的指向虚表的指针

上图展示了虚表和虚表指针在基类对象和派生类对象中的模型，那么多态具体是如何实现的呢？

1. 对象初始化

编译器会自动为每个含有虚函数的类生成一份虚表，该表时一个一维指针数组，虚表中保存了虚函数的入口地址。
编译器会在每个对象的前四个字节中保存一个虚表指针vptr，指向对象所属类的虚表。在构造时，根据对象的类型初始化虚指针vptr，从而让虚指针指向正确的虚表。
在派生类定义对象时，程序会自动调用构造函数，在构造函数中创建虚表并对虚表初始化。

2. 虚指针指向

当派生类对基类的虚函数没有重写时，派生类的虚表指针指向的是基类的虚表；
当派生类对基类的虚函数重写时，派生类的虚表指针指向的是自身的虚表；
当派生类中有自己的虚函数时，在自己的虚表指针中将此虚函数地址添加在后面。

这样指向派生类的基类指针在运行时，可以根据派生类对虚函数重写情况动态进行调用，从而实现多态性。

构造函数和析构函数可以声明为虚函数吗？

        构造函数不能定义为虚函数，析构函数可以为虚函数，并且一般情况下基类析构函数都要定义为虚函数。

        构造函数：每个含有虚函数的类都有一个虚表指针，指向虚函数表。如果构造函数时虚函数，就需要通过虚表指针寻找虚函数表，从而找到对应的虚函数实现。但是类对象还没有初始化，就没有虚表指针，找不到虚函数，所以构造函数不能时虚函数。

        析构函数：只有在基类析构函数是虚函数时，调用delete操作符销毁指向派生类的基类指针时，才能准确调用派生类的析构函数，而派生类的析构函数又自动调用基类的析构函数，这样整个派生类的对象完全被释放。

三、纯虚函数

虚函数和纯虚函数的区别？

虚函数是为了实现动态编译产⽣的，目的是通过基类类型的指针指向不同对象时，自动调用相应的、和基类同名的函数（使⽤同⼀种调用形式，既能调用派生类又能调用基类的同名函数）。虚函数需要在基类中加上 virtual修饰符修饰，因为virtual会被隐式继承，所以子类中相同函数都是虚函数。当⼀个成员函数被声明为虚函数之后，其派生类中同名函数自动成为虚函数，在派生类中重新定义此函数时要求函数名、返回值类型、参数个数和类型全部与基类函数相同。
纯虚函数只是相当于⼀个接口名，但含有纯虚函数的类不能够实例化。

纯虚函数首先是虚函数，其次没有函数体，取而代之使用“=0”代替。

它的函数指针会被存在虚函数表中，由于纯虚函数并没有具体的函数体，因此他在虚函数表中的值为0，其他有函数体的虚函数则是函数的具体地址。

一个类中如果存在纯虚函数，称为抽象类，抽象类不能用于实例化，一般用于定义一些公有方法。子类继承抽象类也必须实现其中的纯虚函数才能实例化对象。

四、虚拟继承

一个类可以从多个基类(父类)继承属性和行为。在C++等支持多重继承的语言中，一个派生类可以同时拥有多个基类。

多重继承可能引入一些问题，如萎形继承问题，比如当一个类同时继承了两个拥有相同基类的类，而最终的派生类又同时继承了这两个类时，可能导致二义性和代码设计上的复杂性。为了解决这些问题，C++ 提供了虚继承，通过在继承声明中使用 virtual 关键字，可以避免在派生类中生成多个基类的实例，从而解决了菱形继承带来的二义性。

举个🌰：
#include <iostream>
 using namespace std;
 
 class A{}
 class B : virtual public A{};
 class C : virtual public A{};
 class D : public B, public C{};
 
int main()
 {
   cout << "sizeof(A)：" << sizeof A <<endl; // 1，空对象，只有⼀个占位
   cout << "sizeof(B)：" << sizeof B <<endl; // 4，⼀个bptr指针，省去占位,不需要对⻬
   cout << "sizeof(C)：" << sizeof C <<endl; // 4，⼀个bptr指针，省去占位,不需要对⻬
   cout << "sizeof(D)：" << sizeof D <<endl; // 8，两个bptr，省去占位,不需要对⻬
 }
上述代码所体现的关系是，B和C虚拟继承A，D公有继承B和C，这种方式是⼀种菱形继承或者钻石继承，可以用下图来表示：

虚拟继承的情况下，无论基类被继承多少次，只会存在一个实体。

虚拟继承基类的子类中，子类会增加某种形式的指针，或者指向虚基类子对象，或者指向一个相关表格；表格中存放的不是虚基类子对象的地址，就是其偏移量，此类指针被称为bptr。如果即存在vptr又存在bptr，某些编译器会将其优化，合并为一个指针。