C++ | 多态

一、什么是多态？

多态（Polymorphism）是面向对象编程的三大核心特性之一（封装、继承、多态），源自希腊语"poly"（多）和"morph"（形态）。它允许不同对象对同一消息做出不同响应，极大提高了代码的灵活性和可扩展性。

二、C++多态的类型

1. 编译时多态（静态多态）

• 函数重载

  void print(int i) { cout << "整数: " << i; }
  void print(string s) { cout << "字符串: " << s; }

• 运算符重载

  class Vector {
  public:
      Vector operator+(const Vector& other) { /* 向量相加实现 */ }
  };

2. 运行时多态（动态多态）

通过虚函数和继承实现，核心机制是虚函数表（vtable）

三、虚函数实现原理

1. 基础用法

class Animal {
public:
    virtual void speak() { cout << "动物叫声"; }
};

class Dog : public Animal {
public:
    void speak() override { cout << "汪汪！"; }
};

// 使用
Animal* animal = new Dog();
animal->speak(); // 输出"汪汪！"

2. 虚函数表机制

• 每个包含虚函数的类都有一个虚函数表

• 对象内部包含指向vtable的指针（vptr）

• 调用时通过vptr查找虚函数地址

四、纯虚函数与抽象类

class Shape {
public:
    virtual double area() = 0; // 纯虚函数
};

class Circle : public Shape {
public:
    double area() override { return 3.14 * r * r; }
};

特点：

• 包含纯虚函数的类成为抽象类

• 不能实例化，只能被继承

• 强制子类实现接口

五、多态的优势对比

特性	编译时多态	运行时多态
实现方式	函数重载/模板	虚函数
绑定时机	编译期	运行期
性能	更高	稍低（虚表查询）
灵活性	较低	更高
典型应用	运算符重载	接口实现

六、实际应用场景

1. 插件架构开发

   class Plugin {
   public:
       virtual void execute() = 0;
   };
   
   // 动态加载不同插件实现

2. 游戏角色系统

   class Character {
   public:
       virtual void attack() = 0;
   };
   
   class Warrior : public Character { /* 实现 */ };
   class Mage : public Character { /* 实现 */ };

3. 数据处理框架

   class DataProcessor {
   public:
       virtual void process(const Data& data) = 0;
   };
   
   // 派生不同格式处理器：JSON、XML、CSV...

七、注意事项与最佳实践

1. 虚析构函数原则

   class Base {
   public:
       virtual ~Base() = default; // 必须声明虚析构
   };

2. 避免虚函数滥用带来的性能损耗

3. override关键字确保正确覆盖

4. 遵循面向对象设计原则（开闭原则、里氏替换原则）