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C++多态详解

web 2025/5/9 2:37:35

1. 多态的概念

多态性允许我们通过基类的指针或引用访问派生类的成员函数，使得同一个函数调用可以有不同的行为。

多态 = “一个名字，多种行为”。

例如：

票价的售卖，同样是售卖门票，但是针对不同的人群有不同的票价。

语言的种类，同样是说话，不同国家的人有不同的语言。

多态分为两种类型：

静态多态（编译时多态）：通过函数重载和运算符重载实现
动态多态（运行时多态）：通过虚函数实现

1.1静态多态（编译时多态）

编译器在编译时直接根据参数类型挑选对应的函数，然后将函数调用“替换成”具体的机器指令。运行时没有任何判断、跳转、查表的过程，效率极高。

常见实现方式：

函数重载（Function Overload）
运算符重载（Operator Overload）
类模板

1.2动态多态（运行时多态）

动态多态发生在程序运行时，即程序执行过程中才根据对象的实际类型决定要调用哪个函数。

关键要素：

基类中的函数必须是 virtual（虚函数）
派生类中要重写这个虚函数
使用基类的指针或引用调用这个函数

底层原理：

当类中出现虚函数时，编译器会为这个类创建一张虚函数表（vtable），每个对象中还会有一个指针 vptr 指向对应的表。但是一般父类创建虚函数表后，子类无需额外创建，直接继承父类的虚函数表，若在子类中对虚函数进行重写后，会在子类虚函数表中覆盖原来父类该函数的地址。

运行时，程序会：

通过对象的 vptr 找到 vtable
在表中查找到对应的函数地址
跳转执行这个地址的函数（比如 Chinese::Speak）

所以 p->Speak() 虽然 p是 Person* 类型，但它内部的 vptr 指向的是 Chinese的函数表，所以调用的是Chinese::Speak()。

2. 实现多态的条件

实现动态多态需要满足以下两个条件,缺一不可：

虚函数的重写：派生类重写基类的虚函数
基类指针或引用调用虚函数：使用基类的指针或引用指向派生类对象，并通过该指针或引用调用虚函数

#include <iostream>
using namespace std;class Person {
public:virtual void BuyTicket() {cout << "全价购票" << endl;}
};class Student : public Person {
public:virtual void BuyTicket() { // 重写基类的虚函数cout << "半价购票" << endl;}
};void Show(Person& p) { // 通过基类引用调用虚函数p.BuyTicket();// 这里发生了隐式向上类型转换：将派生类对象转换为基类引用// 原因是派生类继承了基类的所有公共和受保护成员，因此派生类对象可以被安全地视为基类对象的一种
}int main() {Person p;Student s;Show(p); // 输出: 全价购票Show(s); // 输出: 半价购票return 0;
}

在这段代码中：Person类中定义了一个虚函数BuyTicket()，Student类继承自Person并重写了BuyTicket()函数，函数Show()接受一个Person类型的引用，并调用其BuyTicket()方法，当我们传递Student对象时，会调用Student类的BuyTicket()方法，这就是多态的表现。

3.虚函数的重写规则

虚函数重写必须满足以下条件：

函数名相同
参数列表相同（参数类型和数量）
返回值类型相同（有特例：协变）
访问修饰符可以不同，但不能降低访问权限

3.1协变

C++允许在派生类中重写的虚函数返回类型与基类虚函数返回类型不同，这种特殊情况称为"协变返回类型"。协变要求：

基类虚函数返回基类对象的指针或引用
派生类虚函数返回派生类对象的指针或引用（派生类是基类的子类）

class Person {
public:virtual Person* BuyTicket() {cout << "全价购票" << endl;return this;}
};class Student : public Person {
public:virtual Student* BuyTicket() { // 协变返回类型cout << "半价购票" << endl;return this;}
};

注意：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数前面的virtual关键字可以不加，编译器会自动处理这种情况。但为了代码可读性，建议显式添加virtual关键字。

4. 虚函数表和多态的实现原理

每个包含虚函数的类都有一个虚函数表，这个表是一个指针数组，存储了该类所有虚函数的地址：

虚函数表：每个类拥有一个虚函数表，存储类中所有虚函数的地址
虚函数表指针（vptr）：每个对象都有一个虚表指针，指向该对象所属类的虚函数表
动态绑定：当通过基类指针或引用调用虚函数时，会根据对象的实际类型查找对应的虚函数表，找到并调用正确的函数

重要细节：子类本身没有独立的虚表指针，而是包含在从父类继承下来的对象中。当子类重写父类的虚函数时，子类的虚表会覆盖原来函数地址，而父类的虚表保持不变，仍存储父类的函数地址。

我们可以通过以下代码查看虚函数表的内容：

typedef void(*FuncPtr)(); // 定义函数指针类型// 打印虚函数表的函数
void PrintVFTable(FuncPtr* pVTable) {for (size_t i = 0; pVTable[i] != 0; i++) {printf("pVTable[%d]:%p->", i, pVTable[i]);FuncPtr f = pVTable[i];f(); // 调用函数}cout << endl;
}class Base {
public:virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
private:int _a;
};class Derive : public Base {
public:virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; } // 重写virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; } // 新增
private:int _b;
};void test() {Base b;Derive d;// 获取并打印虚函数表PrintVFTable((FuncPtr*)(*(size_t*)&b)); //取出对象的地址后强转为整数指针进行解引用后得到对PrintVFTable((FuncPtr*)(*(size_t*)&d)); //象内部虚函数表的地址后强转为(FuncPtr*)}

5. 虚析构函数

当通过基类指针删除派生类对象时，如果基类的析构函数不是虚函数，则只会调用基类的析构函数，而不会调用派生类的析构函数，这可致内能导存泄漏。因此，当类设计用作基类时，通常应该将其析构函数声明为虚函数：

class Person {
public:virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};class Student : public Person {
public:virtual ~Student() { // 析构函数的函数名会被编译器内部处理成destructor//无需显式调用基类的析构函数，派生类析构函数结束后会自动调用基类析构函数cout << "~Student()" << endl;}
};int main() {Person* p = new Student();delete p; // 会先调用Student的析构函数，再调用Person的析构函数return 0;
}

6.纯虚函数和抽象类

6.1 纯虚函数

纯虚函数是一种特殊的虚函数，它在基类中没有实现，要求派生类必须提供实现：

virtual 返回类型 函数名(参数列表) = 0;

6.2 抽象类

包含至少一个纯虚函数的类称为抽象类。抽象类有以下特点：

不能实例化对象,但可以声明指针和引用
必须在派生类中实现所有纯虚函数，否则派生类也是抽象类

class Car {
public:virtual void Run() = 0; // 纯虚函数virtual void Stop() = 0; // 纯虚函数
};class Benz : public Car {
public:virtual void Run() {cout << "Benz Run" << endl;}virtual void Stop() {cout << "Benz Stop" << endl;}
};void test() {// Car c; // 错误：不能创建抽象类的对象Car* p = new Benz(); // 正确：可以创建抽象类的指针p->Run(); // 输出: Benz Runp->Stop(); // 输出: Benz Stopdelete p;
}

7. 虚函数的默认参数

虚函数可以有默认参数，但默认参数是静态绑定的，即根据指针或引用的类型决定使用哪个默认参数，而不是根据对象的实际类型：

class Base {
public:virtual void show(int x = 10) {cout << "Base::show " << x << endl;}
};class Derived : public Base {
public:void show(int x = 20) override {cout << "Derived::show " << x << endl;}
};int main() {Derived d;Base* p = &d;p->show();     // 输出：Derived::show 10  <- 默认值是Base的d.show();      // 输出：Derived::show 20 <- 默认值是Derived的
}

p的类型是Base*，当编译器在编译这一行时会查Base::show(int x = 10)，看到默认值是 10，就把它“写死”成了 p->show(10);

总的来说：默认参数“看你用什么类型的指针”，而不是“你指向的对象是谁”

8. final 和 override 关键字

8.1 final 关键字

final关键字可以防止类被继承或虚函数被重写：

class Base {
public:virtual void func() final { // 禁止重写此函数cout << "Base::func" << endl;}
};class Derive final : public Base { // 禁止继承此类// virtual void func() { } // 错误：不能重写被final修饰的函数
};// class Further : public Derive { }; // 错误：不能继承被final修饰的类

8.2 override 关键字

override关键字用于明确表示函数是对基类虚函数的重写，如果不满足重写条件，编译器会报错：

class Base {
public:virtual void func() {cout << "Base::func" << endl;}
};class Derive : public Base {
public:virtual void func() override { // 明确表示重写基类的func函数cout << "Derive::func" << endl;}// virtual void funk() override { } // 错误：基类没有名为funk的虚函数
};

9. 重载、重写和重定义对比

特性	重载（Overload）	重写（Override）	重定义 / 隐藏（Hide）
是否发生继承关系	否，通常在同一个类中	是，派生类对基类虚函数的重新实现	是，发生在派生类中
是否函数名相同	✅ 是	✅ 是	✅ 是
参数列表	❗ 不同（个数或类型不同）	✅ 相同	❗ 不同也可触发隐藏
返回值类型	可不同	通常相同（支持协变返回类型）	可不同
是否必须是虚函数	否	✅ 是（基类中必须是 `virtual`）	否（可是虚函数，也可以不是）
与虚函数表关系	无关	✅ 修改虚函数表（vtable），支持运行时多态	❌ 不修改虚函数表，隐藏基类版本
编译时 or 运行时	编译时绑定	运行时绑定（通过虚函数表）	编译时绑定（隐藏而非替换）
使用方式	同类中多个同名函数（重载）	派生类中重写基类的虚函数（覆盖）	派生类中定义新函数，与基类同名但参数不同或非虚函数

class Base {
public:void func() {cout << "Base::func()" << endl;}virtual void vfunc() {cout << "Base::vfunc()" << endl;}
};class Derive : public Base {
public:void func() { // 重定义（隐藏）cout << "Derive::func()" << endl;}virtual void vfunc() { // 重写cout << "Derive::vfunc()" << endl;}
};void test() {Base* pb = new Derive();pb->func(); // 输出: Base::func() - 静态绑定pb->vfunc(); // 输出: Derive::vfunc() - 动态绑定delete pb;
}