C++中的动与静
问：C++面向对象的三大特性是什么？答曰：封装、继承和多态！
问：如何理解多态？答曰：静态多态指依靠函数重载和泛型编程的编译期多态，动态多态和虚函数有关。
问：讲讲动态多态？
类型、绑定
在讲虚函数之前，首先我们来谈谈类对象指针的类型和成员函数的绑定问题。
一个变量的类型在编译期就可以确定，一般都是对象的声明类型，此时称变量的类型为静态类型。相应的，在运行期被决定类型的变量，称为动态类型，不必多说，这种动态类型自然要与指针或引用挂钩。一个指针变量，可以静态类型与动态类型兼备，也就是说，当我们讨论一个指针的时候，我们可以说它的静态类型和动态类型是不同的。
class Father{
public:
void func() { std::cout << "Father" << std::endl; }
};
class Child : public Father {
void func() { std::cout << "Father" << std::endl; }
};
/***/
Child* pC = new Child();
Father* pF = new Father();
pF = pC;
Child* pNull = nullptr;
在上面的代码中：
pC的静态类型始终是Child*，这和它的声明类型相同，而它的动态类型则在运行时被确定为Child*。pF的静态类型一直为Father*，而其动态类型在运行过程中由一开始的Father*转变为Child*。pNull的静态类型是它声明的类型Child*，但是没有动态类型，因为它指向为空。
说到绑定，我们指的是一个类的成员函数和对象类型的对应关系：对于一般的成员函数，它和（指针）对象的静态类型绑定，称为静态绑定，发生在编译期；而对于虚函数，它绑定的则是指针对象的动态类型，称为动态绑定，发生在运行期。
接着上边的代码，我做如下调用：
pC->func(); //Child::func()
pF->func(); //Father::func()
pNull->func(); //Child::func()
上方func函数是一个非虚函数，所以有关它的调用全部都是静态绑定，也就是说它调用的是哪个类的函数，看静态类型就行，上边关于动态类型的分析统统不要。
另外可能需要稍作解释：凭啥一个空指针pNull调用成员函数竟然不报错？我们都知道类的非静态成员函数都有一个隐藏参数this指针，因为在上边这样一个如此简单的非空函数中，没有牵涉到类成员变量的引用，因此也就没有解引用this指针的需求，C++作为一个保证程序运行效率的语言，在编译时已经将Child::func()的函数地址确定下来，运行时找到了Child::func()这个非虚成员函数的地址，直接调用，因为没有解引用所以没有运行时报错，最后完美运行。这就是静态语言的特殊之处，如果你想在Java或者Python这种动态语言中使用是不可能的。当然在C++中也并不建议这么用，上边的写法只是加深对静态绑定和动态绑定的理解。
在上边这个例子中，Child类中的func()实际上是Father类中的函数重载，假如我们把Child类中的func()给注释掉，再次进行上边的调用，得到的结果将如下所示，Child类将自动继承Father的func()。
pC->func(); //Father::func()
pF->func(); //Father::func()
pNull->func(); //Father
谈过这个小插曲后，我们把上边func()函数改为虚函数：
class Father{
public:
virtual void func() { std::cout << "Father" << std::endl; }
};
class Child : public Father {
void func() override { std::cout << "Father" << std::endl; }
};
同样的调用，结果却大不相同：
pC->func(); //Child::func()
pF->func(); //Child::func()
pNull->func(); //Error
第一行不解释，第二行因为pF的实际动态类型是Child*类，所以查找时先查找Child类中的func()函数，查到了，则直接调用。
总结一下：
- 如果基类中的成员函数不是虚函数，它的函数的静态类型在编译期都已经确定了，静态绑定并不能实现多态。
- 所有的（指针的）虚函数调用都要等到运行时根据它实际指向的类型确定，比起静态绑定性能有损失，但是实现了动态多态。
- 动态绑定可以更改，静态绑定不能更改。
- 继承体系中只有虚函数是动态绑定，其余全是静态绑定。
虚表与虚函数的实现
上边说到，指针调用被指向对象的虚函数的时候，会根据指针的动态类型，查找到对应动态绑定的虚函数，最后调用它。好了，问题来了，查啥能查到这个信息？——查虚函数表。
虚函数是通过一张虚函数表来实现的，这个表内存放的不是别的玩意儿，就是各个虚函数的地址，当我们用父类的指针来操作父类或子类的虚函数时，这个表就像一个通讯录一样，可帮助找到相应的虚函数。
下一个问题，那我的某个对象，是怎么知道虚函数表在哪的呢？答案就是，对于每个有虚函数的类的对象，虚函数表的地址始终位于每个对象的内存的最前方。这意味着，我们随便取一个对象，找到它的内存起始位置，这个地方存的一定是这个类的虚函数表地址。
Father f;
//把Father*类型强转为int*类型，得到虚函数表的地址
std::cout << "虚函数表地址" << (int*)(&f) << std::endl;
//把*(Father*)类型强转为(int*)类型，找到虚函数表中第一个虚函数的地址
std::cout << "虚函数表 第一个函数地址" << (int*)*(int*)(f&) << std::endl;
我们定义一个函数指针，它的类型和Father::func()类型相同，然后利用这个函数指针来调用相应的成员函数
typedef void(*Func)(void);
Father f;
Func pFunc = (Func)*((int*)*(int*)(&f)); //这个过程经历了两次解引用和两次强制类型转换
pFunc(); //输出"Father"
下边这个图展示了相应的内存情况：
虚函数会按照声明顺序依次放在虚函数表中，上边虚函数表中的省略号部分其实是没有的，因为我们的Father类就一个func()函数，我画出来只是为了让它看起来像一张“表”。我们再考虑一个子类的对象，比如Child c;中c的内存结构，毫无疑问，它也有一张属于自己的虚函数表，只不过虚函数表里的内容发生了变化。
子类的虚函数表因为覆盖效果，Father::func()被替换成了Child::func()，这就实现了动态绑定和动态多态。
在多重继承中，假设Child类同时继承了Father1, Father2 和 Father3三个类，并且对父类的虚函数覆盖情况如下：
那么同样对于Child c的c的虚函数表而言，它的指向情况则变为：
一图抵千言，我们可以看到，每个父类都有自己的虚函数表，而具体虚函数表中的覆盖情况，由子类对虚函数的覆写相对应。关于虚函数表就先说这么多。
面试官抖个机灵，问：什么函数不能是虚函数呢？答：
- 友元函数，这玩意儿压根就不是成员函数，更不能为虚。
- 全局函数
- 静态成员函数，这没有
this指针做参数。 - 各种构造函数以及操作符重载一般不建议为虚函数，这也是编译期要求的。
虚函数与inline
面试官又抖个机灵，虚函数能不能是inline呢？这得先说说inline是咋回事儿，其实这里还是动态与静态的问题。首先说答案：不能。
inline是为了减少函数调用时间，在编译期间把inline函数的代码直接拷贝到调用出，这样就实现了函数的特性又减少调用函数的开销。划重点啊：在编译期间，编译期干的事儿，叫啥？肯定是静态期干的事儿。虚函数呢？是动态调用的。编译的时候压根就不知道调用的是父类的还是子类的，也就没法做代码替换和展开。不过inline本身属于一个建议性的关键字，和constexpr很像，在这种情况下，编译器也不会报错，直接忽略你这inline属性，并嘲讽你一番(warning)。
dynamic_cast
讲到多态了，dynamic_cast一般是躲不过去的。各种cast往往是bug的高发地，这里的特殊情形比较多。
dynamic_cast < type-id > (expression)这个玩意儿把expression转换成type-id类型的对象。type-id可以是类的指针、类的引用或者void*。如果type-id是类指针类型，那么expression也必须是一个指针，如果type-id是一个引用，那么expression也必须是一个引用。
它的作用即是将一个基类对象指针安全地cast到子类指针，即对指针做下行转换，如此一来，基类指针也能够访问被指向的子类对象的非虚成员了，这才是主要目的。dynamic_cast会根据指针的实际指向对象类型和基类的继承关系来做相应处理，如果转换失败，对指针将会返回一个NULL，对引用将会抛出一个异常，这就是安全性所在。
那么，什么时候dynamic_cast会转换出错呢？
- 首先，基类必须要有虚函数，否则编译期报错。
- 基类指针指向的必须是一个子类对象，才能使用
dynamic_cast转换成一个子类指针，否则会有不安全的风险。
另外，真正在项目中使用dynamic_cast的实用建议：不要用！不要用！不要用！要用尽量也压到继承树的底部。
来自《Effective C++》的忠告
最后利用大杀器《Effective C++》的两条忠告结束这篇文章。
- 绝对不要重载继承而来的非虚(non-virtual)函数。（条款36）
这是把静态和动态绑定杂糅在一起的大坑，这样的重载和对象脱离了关系，很容易起到误导作用。
我们默认：如果使用non-virtual函数，这个操作在整个继承体系内应该是不变的，如果派生类希望表现出不同的行为，一定要定义成虚函数，并尽量在子类中使用override（这句话是我加上的）。
- 绝不重新定义继承而来的缺省参数值。（条款37）
上一个条款论述了non-virtual函数不应该被重新定义，那么non-virtual函数中的参数也就不存在被重新定义的机会。因此这里主要针对的是虚函数。
原因就在于，虚函数是动态绑定，而缺省参数值却是静态绑定。所以你可能调用了一个派生类的虚函数，但是使用到的缺省参数，却是基类的，就会让调用者觉得很奇怪，因为在这种情况下，虚函数重新定义的缺省值不会起作用，对调用者是一个误导。但是，即使派生类严格地遵循了基类虚函数的缺省值，也会存在问题：积累的虚函数缺省值一旦发生变化，所有派生类的也要跟着变。因此，本质在于，不应该在虚函数中使用缺省参数，如果有这样的需求，那么这种场景就应该使用虚函数的几种替代方案，详见条款35。
