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【重走C++学习之路】14、多态

news 来源：原创 2025/4/24 20:35:45

一、多态的基本知识

1.1 概念

1.2 静态多态

1.3 虚函数

1.4 动态多态及构成的条件

1.5 C++11 override 和 final

1.6 虚析构函数

1.7 重载、重写和重定义

二、抽象类

三、多态的原理

3.1 虚函数表

3.2 虚函数指针

3.3 内存布局

3.4 关键技术细节

1. 虚函数表的创建时机

2. 构造函数与析构函数中的虚函数行为

3. 多继承下的虚函数表

4. 实现多态必须是父类的指针或引用，而不是是父类对象

四、几个面试常见的问题

结语

一、多态的基本知识

1.1 概念

多态是面向对象编程的核心特性之一，允许不同类的对象对同一消息（方法调用）做出不同响应。核心思想是用统一的接口操作不同类型的对象，具体行为由对象的实际类型决定。C++ 中多态分为 静态多态（编译时多态） 和 动态多态（运行时多态）。

1.2 静态多态

在编译时确定具体调用的函数，通过以下两种方式实现：

函数重载

同一作用域内定义多个同名函数，参数列表不同（类型、顺序、数量）。
编译时根据实参类型匹配函数。

模板

泛型编程实现代码复用，编译器根据类型生成具体代码。

函数模板和类模板均支持静态多态。

1.3 虚函数

基类中声明 virtual 的函数，派生类可覆盖。

调用时根据对象的实际类型选择函数版本。

class Person 
{
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;}
};

1.4 动态多态及构成的条件

在运行时根据对象的实际类型确定调用的函数，通过虚函数实现，是面向对象的核心特性。

构成条件：

继承关系：基类与派生类形成层次结构。

虚函数：基类函数声明为 virtual，派生类用 override 显式标记（C++11）。

基类指针/引用：通过基类指针或引用调用虚函数。

重写：派生类必须对基类的虚函数进行重写

虚函数的重写(覆盖)：

派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数(即派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。（重写是对函数体进行重写）

class Animal 
{
public:virtual void speak() { cout << "Animal sound" << endl; }
};class Dog : public Animal 
{
public:void speak() override { cout << "Woof!" << endl; } // 覆盖基类虚函数
};Animal* pet = new Dog();
pet->speak(); // 输出 "Woof!" （动态绑定）

虚函数重写的两个例外：

协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)

派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型不同。即基类虚函数返回基类对象的指针或者引用，派生类虚函数返回派生类对象的指针或者引用时，称为协变。

析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)

编译器对析构函数的名称做了特殊处理，编译后析构函数的名称统一处理成destructor。如果基类的析构函数为虚函数，此时派生类析构函数只要定义，无论是否加virtual关键字，都与基类的析构函数构成重写。

1.5 C++11 override 和 final

final：

修饰虚函数，表示该虚函数不可以被重写（还可以修饰类，表示该类不可以被继承）

class Base final 
{ ... 
};         // 类不可被继承class Animal 
{
public:virtual void speak() final { ... } // 函数不可被覆盖
};

override：

显式标记派生类函数覆盖基类虚函数，增强代码可读性，编译器检查签名一致性。

class Dog : public Animal 
{
public:void speak() override { ... } // 明确表示覆盖
};

1.6 虚析构函数

问题：若基类指针指向派生类对象，且基类析构函数非虚，则 delete 时仅调用基类析构函数，导致派生类资源泄漏。

解决：基类析构函数声明为 virtual。

class Base 
{
public:virtual ~Base() { cout << "Base destructor" << endl; }
};class Derived : public Base 
{
public:~Derived()     { cout << "Derived destructor" << endl; }
};Base* obj = new Derived();
delete obj; // 正确调用 Derived 和 Base 的析构函数

1.7 重载、重写和重定义

	作用域	函数名	解释
重载	两个函数在同一个作用域中	相同	参数类型不同，构成重载
重写	两个函数分别在基类和派生类中	相同	基类函数用virtual修饰，达到了多态的标准
重定义	两个函数分别在基类和派生类中	相同	基类函数没有用virtual修饰，只是基类和派生类的函数的内容不同

二、抽象类

在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫接口
类），抽象类不能实例化出对象。派生类继承后也不能实例化出对象，只有重写纯虚函数，派生
类才能实例化出对象。纯虚函数规范了派生类必须重写，另外纯虚函数更体现出了接口继承。

class Shape 
{
public:virtual double area() const = 0; // 纯虚函数
};class Circle : public Shape 
{
public:double area() const{ return 3.14 * radius * radius; }
};

接口继承和实现继承：

普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，可以使用函数，继承的是函数的实现。虚函数的继承是一种接口继承，派生类继承的是基类虚函数的接口，目的是为了重写，达成多态，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

三、多态的原理

动态多态的实现原理基于虚函数表和 虚函数指针的机制，使得程序在运行时能根据对象的实际类型动态绑定函数调用。

3.1 虚函数表

每个包含虚函数的类都有一个虚函数表，它是一个函数指针数组，存储该类所有虚函数的实际地址。

基类的虚函数表包含其所有虚函数的地址。

派生类继承基类的虚函数表，并覆盖需要重写的虚函数地址。

新增虚函数会被添加到虚函数表的末尾。

3.2 虚函数指针

每个对象实例中隐含一个指向其类虚函数表的指针。

虚函数指针通常位于对象内存布局的起始位置（具体由编译器决定）。

对象通过虚函数指针找到对应的虚函数表，进而调用正确的虚函数。

3.3 内存布局

class Base 
{
public:virtual void func1() {}virtual void func2() {}int a;
};class Derived : public Base 
{
public:void func1() override {} // 覆盖基类 func1virtual void func3() {}  // 新增虚函数int b;
};

Base 对象：
+----------------+
| vptr (Base)    | → 指向 Base 的虚函数表
| int a          |
+----------------+Derived 对象：
+----------------+
| vptr (Derived) | → 指向 Derived 的虚函数表
| int a          |
| int b          |
+----------------+Base 的虚函数表（vtable for Base）：
+----------------+
| &Base::func1   |
| &Base::func2   |
+----------------+Derived 的虚函数表（vtable for Derived）：
+----------------+
| &Derived::func1| // 覆盖基类 func1
| &Base::func2   | // 继承基类 func2
| &Derived::func3| // 新增 func3
+----------------+

因此计算多态的对象大小时不仅需要计算成员变量的大小，还要加上虚函数指针的大小。

3.4 关键技术细节

1. 虚函数表的创建时机

编译阶段：

编译器为每个包含虚函数的类生成虚函数表，存放在程序的只读数据段。

运行阶段：

对象构造时，其虚函数指针vptr被初始化为指向对应类的虚函数表。

2. 构造函数与析构函数中的虚函数行为

构造函数：

在构造函数中调用虚函数时，虚函数机制未生效，此时调用的是当前类的函数版本。

原因：派生类对象的 vptr 在基类构造函数执行期间指向基类的虚函数表。

析构函数：

在析构函数中调用虚函数时，同样调用当前类的函数版本。

原因：派生类析构后，对象被视为基类类型。

3. 多继承下的虚函数表

多个虚函数表：

派生类继承多个基类时，每个基类对应一个虚函数表。

调整 this 指针：

调用不同基类的虚函数时，需要调整 this 指针的偏移量。

4. 实现多态必须是父类的指针或引用，而不是是父类对象

子类对象给父类对象赋值时，会调用父类的拷贝构造对父类的成员变量进行拷贝构造，但是虚表指针不会参与切片，这样父类对象无法找到子类的虚表，所以父类对象不能够调用子类的虚函数。但是子类对象给父类的指针或引用赋值时，是让父类的指针指向父类的那一部分或引用父类的那一部分，这样父类还是可以拿到子类的虚表指针，通过虚表指针找到子类的虚表，从而可以调用虚表中的虚函数。