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C++ 进阶：深入理解虚函数、继承与多态

news 2025/6/19 13:35:41

前言

在 C++ 的面向对象编程中，继承和多态是两个核心概念。今天我们将深入探讨 C++ 中与多态密切相关的几个重要特性：虚函数、virtual 关键字、override 关键字、多重继承以及虚继承。这些内容是理解 C++ 多态机制和复杂类层次结构的关键。

虚函数与 `virtual` 关键字

虚函数的基本概念

虚函数是实现运行时多态的基础。通过虚函数，我们可以在基类中定义一个接口，而在派生类中重写这个接口，从而在程序运行时根据对象的实际类型调用相应的函数。

`virtual` 关键字的使用

在基类中，使用 virtual 关键字声明一个函数为虚函数。例如：

class Base {
public:virtual void show() {std::cout << "Base class show function" << std::endl;}
};class Derived : public Base {
public:void show() override {  // 重写虚函数std::cout << "Derived class show function" << std::endl;}
};

在上面的代码中，Base 类的 show 函数被声明为虚函数，Derived 类重写了这个虚函数。当我们通过基类指针或引用调用 show 函数时，会根据对象的实际类型调用相应的函数：

int main() {Base* basePtr = new Derived();basePtr->show();  // 输出: Derived class show functiondelete basePtr;return 0;
}

虚函数的工作原理

虚函数通过虚函数表（vtable）实现。每个包含虚函数的类都有一个虚函数表，表中存储了该类所有虚函数的地址。当创建对象时，对象内部会包含一个指向虚函数表的指针（vptr）。在调用虚函数时，程序会根据对象的 vptr 找到对应的虚函数表，然后根据函数在表中的位置调用相应的函数。

`override` 关键字

`override` 的作用

override 关键字是 C++11 引入的，用于明确表示一个函数是重写基类的虚函数。它的主要作用是：

提高代码可读性：让其他开发者清楚地知道这个函数是重写基类的虚函数。
防止拼写错误：如果基类中没有对应的虚函数，编译器会报错，避免因拼写错误导致的隐藏而非重写的问题。

使用示例

class Base {
public:virtual void display() {std::cout << "Base class display function" << std::endl;}
};class Derived : public Base {
public:void display() override {  // 正确重写std::cout << "Derived class display function" << std::endl;}// void dispaly() override {  // 拼写错误，编译器会报错//     std::cout << "Wrong function" << std::endl;// }
};

多重继承

多重继承的基本概念

多重继承是指一个派生类可以同时继承多个基类。这使得派生类可以拥有多个基类的属性和方法。例如：

class Base1 {
public:void show1() {std::cout << "Base1 class show1 function" << std::endl;}
};class Base2 {
public:void show2() {std::cout << "Base2 class show2 function" << std::endl;}
};class Derived : public Base1, public Base2 {
public:void showAll() {show1();show2();}
};

在上面的代码中，Derived 类同时继承了 Base1 和 Base2 类，因此可以调用 Base1 和 Base2 中的成员函数。

多重继承的问题

多重继承虽然提供了更大的灵活性，但也带来了一些问题：

菱形继承问题：当多个基类有共同的基类时，派生类中会出现多个共同基类的子对象，导致数据冗余和二义性。
命名冲突：如果多个基类中有同名的成员函数或成员变量，派生类中直接使用会导致二义性。

菱形继承示例

class Grandparent {
public:int value;
};class Parent1 : public Grandparent {
};class Parent2 : public Grandparent {
};class Child : public Parent1, public Parent2 {
public:void printValue() {// std::cout << value << std::endl;  // 编译错误，二义性std::cout << Parent1::value << std::endl;  // 明确指定std::cout << Parent2::value << std::endl;}
};

在上面的代码中，Child 类同时继承了 Parent1 和 Parent2 类，而 Parent1 和 Parent2 类又都继承了 Grandparent 类，导致 Child 类中有两个 value 成员，直接使用 value 会导致二义性。

虚继承

虚继承的引入

为了解决多重继承中的菱形继承问题，C++ 引入了虚继承。虚继承使得派生类只继承共同基类的一份子对象，避免了数据冗余和二义性。

虚继承的使用

在继承时，使用 virtual 关键字指定虚继承。例如：

class Grandparent {
public:int value;
};class Parent1 : virtual public Grandparent {  // 虚继承
};class Parent2 : virtual public Grandparent {  // 虚继承
};class Child : public Parent1, public Parent2 {
public:void printValue() {std::cout << value << std::endl;  // 现在可以正常使用}
};