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C++ ＜多态＞详解：从概念到底层实现

news 2025/7/25 10:04:54

1. 多态的概念

2. 多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

2.2 虚函数与重写

特殊重写场景：

2.3 关键字：override 与 final

3. 纯虚函数与抽象类

4. 多态的底层原理

4.1 虚函数表指针（_vfptr）

4.2 动态绑定与静态绑定

5. 常见面试题解析

6. 总结

多态是 C++ 面向对象编程的核心特性之一，它允许不同对象对同一消息作出不同响应。理解多态不仅能写出更灵活的代码，也是面试中的高频考点。本文将从概念、实现条件、关键特性到底层原理，全面剖析 C++ 多态的精髓。

1. 多态的概念

多态（polymorphism）字面意思是 "多种形态"，在 C++ 中分为两类：

编译时多态：通过函数重载和函数模板实现，编译器在编译阶段根据参数类型匹配相应函数，属于静态多态。
运行时多态：程序运行时根据传递的对象类型决定调用哪个函数，这是本文的重点。

运行时多态的经典案例：

买票行为：普通人全价、学生半价、军人优先
动物叫行为：猫 "喵"、狗 "汪"

//买票的多态实例
class Person
{
public:virtual void BuyTicket(){cout << "买票-全价" << endl;}
};class Student : public Person
{
public:virtual void BuyTicket()   //可以不加virtual 不规范{cout << "买票-半价" << endl;}
};void Func(Person& ptr) //基类的引用或指针
{ptr.BuyTicket();
}// 动物叫的多态示例
class Animal {
public:virtual void talk() const {}
};
class Dog : public Animal {
public:virtual void talk() const { cout << "汪汪" << endl; }
};
class Cat : public Animal {
public:virtual void talk() const { cout << "喵" << endl; }
};
// 同一函数接收不同对象，表现不同行为
void letsHear(const Animal& animal) {animal.talk(); 
}

2. 多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

多态需满足继承关系基础上的两个核心条件：

class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:// 重写基类虚函数virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};
// 基类引用调用虚函数，满足多态条件
void Func(Person& people) {people.BuyTicket(); 
}
int main() {Person p;Student s;Func(p); // 输出"买票-全价"Func(s); // 输出"买票-半价"
}

2.2 虚函数与重写

虚函数：用virtual修饰的类成员函数（非成员函数不能用virtual）。
重写规则：派生类虚函数需与基类虚函数的函数名、参数列表、返回值完全一致（协变除外）。

注意：派生类重写时可省略virtual（不推荐），但仍视为虚函数。

特殊重写场景：

协变：返回值可改为基类 / 派生类的指针 / 引用（需满足继承关系）

class A {};
class B : public A {};
class Person {
public:virtual A* BuyTicket() { return nullptr; } // 基类指针
};
class Student : public Person {
public:virtual B* BuyTicket() { return nullptr; } // 派生类指针（协变）
};

析构函数重写：基类析构函数为虚函数时，派生类析构函数自动视为重写（编译器统一处理析构函数名为destructor）

class A {
public:virtual ~A() { cout << "~A()" << endl; } // 虚析构
};
class B : public A {
public:~B() { cout << "~B()" << endl; } // 自动重写
};
// 正确释放派生类资源，避免内存泄漏
int main() {A* p = new B;delete p; // 先调用~B()，再调用~A()
}

2.3 关键字：override 与 final

override：强制检查派生类函数是否重写基类虚函数，未重写则编译报错。

final：修饰虚函数时，禁止派生类重写该函数；修饰类时，禁止被继承。

// C++11提供了override，可以帮助⽤⼾检测是否重写。
class Car
{
public:virtual Dirve(){}
};class Benz : public Car
{
public:virtual Dirve() override{cout << "Benz-舒适" << endl;}
};int main()
{return 0;
}

class Car {
public:virtual void Drive() final {} // 禁止重写
};
class Benz : public Car {
public:virtual void Drive() {} // 编译报错：无法重写final函数
};

3. 纯虚函数与抽象类

纯虚函数：在虚函数后加=0，无需实现（语法允许实现但无意义）。
抽象类：包含纯虚函数的类，不能实例化对象，派生类需重写纯虚函数才能实例化。
```
class Car {
public:virtual void Drive() = 0; // 纯虚函数
};
class Benz : public Car {
public:virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; } // 重写后可实例化
};
int main() {// Car car; // 报错：抽象类不能实例化Car* p = new Benz; // 正确p->Drive();
}
```
4. 多态的底层原理

4.1 虚函数表指针（_vfptr）

含有虚函数的类，其对象会额外包含一个虚函数表指针（_vfptr），指向虚函数表（简称虚表）。虚表是存储虚函数地址的指针数组，同类型对象共享同一张虚表。

class Base {
public:virtual void Func1() { cout << "Func1()" << endl; }
protected:int _b = 1;char _ch = 'x';
};
int main() {Base b;cout << sizeof(b) << endl; // 32位下为12字节（4字节指针 + 4字节int + 4字节对齐）
}

4.2 动态绑定与静态绑定

静态绑定：编译时确定函数调用地址（非虚函数或不满足多态条件时）。
动态绑定：运行时通过对象的虚表查找函数地址（满足多态条件时）。

虚表结构示例：

基类虚表：存储基类所有虚函数地址。
派生类虚表：先复制基类虚表，再用派生类重写的虚函数地址覆盖对应位置，最后添加派生类自身的虚函数地址。

5. 常见面试题解析

问题：以下程序输出结果是？

class A {
public:virtual void func(int val = 1) { cout << "A->" << val << endl; }virtual void test() { func(); }
};
class B : public A {
public:void func(int val = 0) { cout << "B->" << val << endl; }
};
int main() {B* p = new B;p->test(); // 输出：B->1
}

解析：