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十五、多态与虚函数

news 来源：原创 2025/5/13 5:27:03

十五、多态与虚函数

15.1 引言

面向对象编程的基本特征：数据抽象（封装）、继承、多态
基于对象：我们创建类和对象，并向这些对象发送消息
多态（Polymorphism）：指的是相同的接口、不同的实现。简单来说，多态允许不同的类对象 对 同一个函数调用 做出 不同的响应 。
动态多态性（Dynamical polymorphism） 是通过 虚函数 实现的。虚函数是迈向真正 面向对象编程（OOP） 的关键一步

多态的分类

编译时多态（静态多态/Static Polymorphism）

特点：在编译阶段就能确定调用哪个函数
实现方式：
- 函数重载（Function Overloading）
- 运算符重载（Operator Overloading）

示例：

#include <iostream>
using namespace std;
void print(int x){cout << x << endl;}
void print(double x){cout << x << endl;}int main(){print(5);	//在编译时就知道调用int版本print(9.8);//在编译时就知道调用double版本
}

运行时多态（动态多态/Dynamical polymorphism）

特点：在程序运行时决定调用哪个函数，是程序运行起来后根据实际对象决定的。
实现方式：虚函数（virtual function） + 基类指针或引用

示例：

#include <iostream>
using namespace std;
class Animal {
public:virtual void speak() { cout << "Animal sound" << endl; }
};
class Dog :public Animal {
public:void speak() override { cout << "Woof!" << endl; }
};void makeSound(Animal* a) {a->speak();	//在运行时才知道是哪个版本
}
int main() {Animal a;Dog d;makeSound(&a);//输出"Animal sound"makeSound(&d);//输出 "Woof!"，调用的是子类的函数
}

15.2 向上转型（Upcasting）

当通过指针或引用（指向或引用基类）操作时，派生类的对象可以被当作其基类对象 来处理。
向上转型（Upcasting）： 获取一个对象的地址（无论是指针还是引用），并将其当作 基类类型 使用，就叫做向上转型（Upcasting）。
也就是说，” 新类是现有类的一种类型 “。

示例

class Instrument {
public:void play() const {}
};
//Wind是Instrument的派生类
class Wind :public Instrument {};
void tune(Instrument& i) { i.play(); }
void main() {Wind flute;tune(flute);	//向上转型（Upcasting）Instrument* p = &flute;//UpcastingInstrument& l = flute;//Upcasting
}

这里将一个 Wind 类型的引用或指针 转换为 一个 Instument 类型的引用或指针的行为，就是向上转型（Upcasting）。

下面给出一个有疑问的示例

#include <iostream>
using namespace std;
class Instrument {
public:void play() { cout << "Instrument::play" << endl; }
};
class Wind:public Instrument {
public://重新定义接口函数void play() const { cout << "Wind::play" << endl; }
};void tune(Instrument& i) { i.play(); }void main() {Wind flute;tune(flute);//向上转型
}

输出

Instrument::play

问题

此调用本应产生 Wind::play ，但实际调用了 Instrument::play。
为了解决这个问题，我们需要使用 虚函数（virtual function） 来解决这个问题。

15.3 虚函数（virtual functions）

什么是虚函数

格式：

virtual type function-name(arguments);
如果一个函数在其基类中被声明为virtual ，那么它在所有派生类中也是 virtual 的。
在派生类中重新定义一个 virtual 函数，通常称之为 重写(Overriding)。
多态（Polymorphism）：

同名但不同实现的函数。虚函数（通过重写）是动态决定 调用哪一个函数的。
函数重载（Function overloading）：

是静态决定调用哪个版本的函数。

示例 C15:Instrument2.cpp

//C15:Instrument2.cpp
#include <iostream>
using namespace std;class Instrument{
public:virtual void play() const{cout << "Instrument::play" << endl;}
};
class Wind:public Instrument{
public://重写虚函数virtual void play() const	//省略"virtual"是可以的{cout << "Wind::play" << endl;}
};void tune(Instrument& i){	i.play();}void main(){Wind flute;tune(flute);//向上转型
}

输出

Wind::play

这样就达到我们的期望了——Wind::play

可扩展性

如果在基类中将 play() 定义为 虚函数（virtual） ，那么我们可以在不修改 tune() 函数的前提下，添加任意多的新类型。
在一个设计良好的面向对象程序中，我们的大多数甚至全部函数，都会遵循 tune() 的模式，并只通过基类接口进行通信。这样的程序是可扩展的，因为我们可以通过从共同的基类继承新的数据类型 来添加新功能。

示例 Extensibility in OOP

//Extensibility in OOP
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Instrument {
public:virtual void play() const { cout << "Instrument::play" << endl; }virtual string what() const { return "Instrument"; }//下面这个函数会修改对象virtual void adjust(int) {}
};class Wind :public Instrument {
public:void play() const { cout << "Wind::play" << endl; }string what() const { return "Wind"; }void adjust(int) {}
};class Stringed :public Instrument {
public:void play() const { cout << "Stringed::play" << endl; }string what() const { return "Stringed"; }
};class Brass :public Wind {
public:void play() const { cout << "Brass::play" << endl; }string what() const { return "Brass"; }
};void tune(Instrument& i) { i.play(); }void f(Instrument& i) { i.adjust(1); }int main() {Wind flute;Stringed violin;Brass horn;tune(flute);//Wind::play;tune(violin);//Stringed::play;tune(horn);//Brass::playf(horn);//Wind::adjustreturn 0;
}

我们可以看到，virtual(虚函数) 机制 无论有多少层继承都能正常运行。
adjust() 函数在 Brass 类中没有别重写。当这种情况发生时，继承层次结构中 ”最近的“‘定义会被自动使用（即：Wind::adjust）。

注意

虚函数 是一个 非静态成员函数 。

如果一个虚函数是在类体外定义的，那么关键字 virtual 只在声明时需要写明。

class Instrument{
public:virtual void play() const;
};
void Instrument::play() const {cout << "Instrument::play" endl;
}

当使用 **作用域解析运算符:: ** 时，虚函数机制将不会被使用。

………………
void tune(Instrumnet& i){//……i.Instrument::play();	//显示调用基类版本，禁用虚机制
}void main(){Wind flute;tune(flute);
}

输出

Instrument::play

在派生类中，如果要重写基类的虚函数，那么要重写的函数的类型必须与基类中虚函数的类型完全相同，这样才称为 重写（Overriding） 基类版本的虚函数。
如果类型不相同，那么这叫做重定义，是在派生类里面重定义了一个全新的函数，就不会重写基类的虚函数，而是会名字隐藏基类的虚函数。
要实现多态行为：
- 派生类必须是 公有继承（public） 自基类
- 被调用的成员函数必须是虚函数
- 必须通过指针或引用来操作对象。（如果是直接操作对象而不是通过指针或引用，编译器在编译时就已知对象的确切类型，因此不需要运行时多态机制）

示例

#include <iostream>
using namespace std;
class A{
public:virtual void f1(){cout << "A::f1" << endl;}virtual void f2(){cout << "A::f2" << endl;}void f3() {cout << "A::f3" << endl;}void f4() {cout << "A::f4" << endl;}
};class B:public A
{
public:virtual void f1()	//虚函数的重写{cout << "B::f1" << endl;}virtual void f2(int)	//新定义了一个虚函数{cout << "B::f2" << endl;}virtual void f3()	//在B中，f3是虚函数，但在A，f3并不是{cout << "B::f3" << endl;}void f4() 		//重定义{cout << "B::f4" << endl;}
};

下面是针对上面示例的不同main() 函数测试

main1

void main(){B b;A* p = &b;p->f1();p->f2();p->f3();p->f4();
}

输出

B::f1
A::f2
A::f3
A::f4

main2

void main(){B b;A& a1 = b;a1.f1();a1.f2();a1.f3();a1.f4();
}

输出

B::f1
A::f2
A::f3
A::f4

main3

void main(){B b;A a = b;a.f1();a.f2();a.f3();a.f4();
}

输出

A::f1
A::f2
A::f3
A::f4

15.4 C++ 如何实现晚绑定（late binding）

绑定： 在C++中，”绑定“”就是指函数调用与实际执行代码之间建立联系的过程。

绑定有两种：

类型	绑定时间	说明
早绑定（Early Binding）	编译时决定	编译器在编译时就知道要调用哪个函数。适用于普通函数、非虚函数等。效率高，但不灵活
晚绑定（Late Binding）	运行时决定	编译时不确定，运行时根据对象的实际类型决定调用哪个函数。适用于虚函数。灵活，支持多态

C++晚绑定的机制

编译器为每个包含 虚函数 的类创建一个 虚函数表（VTABLE）。
- 编译器会将类的所有虚函数地址存放到它对应的 虚函数表 中。
在每个包含虚函数的类中，编译器会 偷偷地添加一个 VPTR 指针 ，它指向该对象所属类的 VTABLE。
为每个类设置 VTABLE ，初始化 VPTR ，插入虚函数调用代码——这些操作都会自动完成。
当我们用基类指针（或引用）指向派生类对象时，基类中的 虚指针（vptr）会被设置为指向派生类的虚函数表（vtable），
以便实现动态多态（运行时绑定）。

//C15:Early & Late Binding.cpp
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Pet{
public:virtual string speak() const{return "Pet::speak";}
};class Dog:public Pet{
public:virtual string speak() const {return "Dog::speak";}
};void main(){Dog ralph;Pet* p1 = &ralph;	//有类型歧义Pet& p2 = ralph;	//有类型歧义Pet p3 = ralph;		//无类型歧义//晚绑定cout << p1->speak() << endl;cout << p2.speak() << endl;//早绑定cout << p3.speak() << endl;
}

输出

Dog::speak
Dog::speak
Pet::speak

15.5 为什么使用虚函数（virtual functions）

虚函数是一种选择（并不是强制的）。
virtual 关键字的设计，是为了方便效率优化。当我们想提升代码执行速度时，只需要查找哪些函数可以改为非虚函数即可。

15.6 抽象基类与纯虚函数

有时候我们希望基类仅仅作为接口供其派生类使用，而不希望任何人实际创建这个基类的对象。
一个 抽象类（abstract class） 至少包含一个 纯虚函数（pure virtual function）。并且抽象类不可以拿来创建对象。
纯虚函数： 使用 virtual 关键字，并且以 = 0 结尾。
纯抽象类（pure abstract class）： 是指其中只包含纯虚函数，没有其他函数实现。也不可以拿来创建对象。
不能创建抽象类的对象。
将一个类设计为抽象类，可以确保在向上转型时只能通过指针或引用来使用这个类。
当一个抽象类别继承时，所有纯虚函数都必须在子列中实现（也就要定义），否则这个子类也会变成为一个抽象类。

#include <iostream>
using namespace std;
class Point	//抽象类（不是纯抽象类）
{
public:Point(int i = 0,int j = 0) { x0 = i; y0 = j; }virtual void Set() = 0;virtual void Draw() = 0;
protected:int x0, y0;
};class Line :public Point
{
public:Line(int i = 0, int j = 0, int m = 0, int n = 0) :Point(i, j){x1 = m; y1 = n;}virtual void Set(){cout << "Line::Set() called." << endl;}virtual void Draw(){cout << "Line::Draw()." << endl;}
protected:int x1, y1;
};
//抽象类
class Ellipse :public Point
{
public:Ellipse(int i = 0, int j = 0, int p = 0, int q = 0) :Point(i, j){x2 = p; y2 = q;}
protected:int x2, y2;
};void main() {Line line(0, 1);//Elipse elipse(0,1,2,3);//错误，因为Wllipse是抽象类Point& p = line;p.Set();p.Draw();
}

输出

Line::Set() called.
Line::Draw().

15.7 继承与虚函数表（VTABLE）

虚函数表

编译器会为派生类自动创建一个新的 虚函数表（VTABLE） ，并将你新重写的函数地址插入其中。对于那些没有重写的虚函数 ，则使用基类中的函数地址。

//C15:AddingVirtuals.cpp
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Pet {string pname;
public:Pet(const string& petName) :pname(petName) {}virtual string name() const { return pname; }virtual string speak() const { return ""; }
};class Dog :public Pet {string name;
public:Dog(const string& petName) :Pet(petName) {}virtual string sit() const { return Pet::name() + "sits"; }	//新的虚函数string speak () const { return Pet::name() + " says 'Bark!'"; }//重写虚函数
};
int main() {Pet* p[] = { new Pet("generic"),new Dog("bob") };//创建一个Pet*数组cout << "p[0]->speak() = " << p[0]->speak() << endl;cout << "p[1]->speak() = " << p[1]->speak() << endl;//!cout << "p[1]->sit() = " << p[1]->sit() << endl;//非法，因为Pet型指针的Dog,会在Pet的虚函数表里面找sit()，但这是找不到的delete p[0];delete p[1];return 0;
}

输出

p[0]->speak() =
p[1]->speak() = bob says 'Bark!'

对象切片（Object slicing）

通过地址进行向上转型是自动且安全的，但通过值进行向上转型是不安全的。（向下转型同样不安全）
对象切片： 对象切片会在复制对象到新对象时丢失原有对象的一部分信息（即派生类特有的部分会被“切掉”）。
如果你将对象向上转型为另一个对象（而不是指针或引用），就会发生对象切片。

//C15:ObjectSlicing.cpp
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;class Pet{string pname;
public:Pet(const string& name):pname(name){}virtual string name() const{return pname;}virtual string description() const{return "This is " + pname;}
};class Dog:public Pet{string favoriteActivity;
public:Dog(const string& name,const string& activity):Pet(name),favoriteActivity(activity){}virtual string description() const{return Pet::name() + "likes to " + favoriteActivity;}
};void describe(Pet a)	//对象切片
{cout << a.description() << endl;
}
void main(){Pet p("Zhang");Dog d("Li","sleep");describe(p);describe(d);//Pet::pname::pname,name(),description()
}

输出

This is Zhang
This is Li

这里就要对This is Li 这段文字产生提出问题，我们并不希望这样，因此需要将desctibe()函数进行修改

void describe(Pet& a)
{cout << a.description() << endl;
}

输出

This is Zhang
Lilikes to sleep

15.8 重载和重写（Overloading & Overriding）

在派生类中，如果我们重写或者重新定义了基类中某个重载的成员函数，那么基类里其他重载版本将会被隐藏。
编译器不允许我们通过更改基类虚函数的返回类型来**“重新定义”**该函数。

//C15:NameHiding2.cpp
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Base {
public:virtual int f() const { cout << "Base::f()" << endl; return 1; }virtual void f(string) const {}virtual void g() const {}
};class Derived1 :public Base
{
public:void g() const {}
};class Derived2 :public Base {
public://重写int f() const { cout << "Derived2::f()" << endl; return 2; }
};class Derived3 :public Base {
public://不被允许，因为它在通过改变return类型来重新定义基类的虚函数f()//!void f() const { cout << "Derived3::f()" << endl; }
};class Derived4 :public Base {
public://重新定义，因为改变了参数列表int f(int) const { cout << "Derived4::f()" << endl; return 4; }
};int main() {string s("Hello");Derived1 d1;int x = d1.f();	//调用Base的int f()d1.f(s);	//调用Base的void f(string)Derived2 d2;x = d2.f();	//调用Derived2的int f()//!d2.f(s);//Derived2的int f()将其他版本隐藏了Derived3 d3;d3.f();//调用Base的int f()Derived4 d4;x = d4.f(1);//!x = d4.f();//Base的f()版本都被隐藏//!d4.f(s);//void f(string)被隐藏Base& br = d4;//向上转型//!!br.f(1);//因为转型到了Base,所以派生类的非虚函数不能在使用br.f();//可以使用Base版本br.f(s);
}

输出

Base::f()
Derived2::f()
Base::f()
Derived4::f()
Base::f()

15.9 虚函数和构造函数

当一个包含虚函数的对象被创建时，它的虚函数指针（VPTR）必须被初始化为指向正确的虚函数表（VTABLE）。
构造函数负责初始化这个虚函数指针（VPTR）。
构造函数不能是虚函数。

原因：构造函数负责设置 VPTR，但虚函数调用又依赖 VPTR，所以构造函数不能是虚函数，否则逻辑自相矛盾。如果构造函数是虚函数，那调用构造函数需要去使用 VPTR，那使用VPTR又需要去调用构造函数，就像“先有鸡还是先有蛋”一样，会是悖论。

15.10 虚函数和析构函数

析构函数可以是虚函数，而且通常必须是虚函数（如果要通过“基类或指针”来删除派生类对象）。
如果基类中的析构函数被声明为 virtual ，那么即使派生类的析构函数没有加 virtual 关键字，它们也依然是 virtual 的。
这是为了确保析构函数能够被准确地调用。

下面给出原因

示例

#include <iostream>
using namespace std;class A {
public:A() { cout << "A::A()" << endl; }~A() { cout << "A::~A()" << endl; }
};class B :public A
{
public:B(int i) {buf = new char[i];cout << "B::B(int)" << endl;}~B() {delete[]buf;cout << "B::~B() called." << endl;}
private:char* buf;
};void main() {A* a = new B(15);delete a;
}

输出

A::A()
B::B(int)
A::~A()

**问题：**我们通过基类指针删除派生类对象，但 A::~A() 不是虚函数。

所以编译器在执行 delete p; 时：

只知道 a 是个 A* 类型
查的是 A 的析构函数 --> ~A() ，不是虚函数
所以它不会进行“虚调用”跳转到 ~B()
最终只调用 A::~A() ，而 B::~B() 根本没被调用

后果： 导致buf的内存没有被释放——内存泄漏。

那么为什么呢？原因就主要在于它不会进行“虚调转”跳转到~B()

虚调用的跳转

虚函数的跳转：当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会根据对象的真实类型，通过虚函数表（vtable）**跳转到**最派生类的函数版本。

正向跳转：调用一个虚函数时，跳转到最派生类重写的版本来执行。

特点：只跳一次，执行最底层的版本，不会执行上层版本。

示例

class A {
public:virtual void f() { cout << "A::f" << endl; }
};class B : public A {
public:void f() override { cout << "B::f" << endl; }
};class C : public B {
public:void f() override { cout << "C::f" << endl; }
};

当我们写：

A* p = new C();
p->f();  // 会执行谁？

这里会执行的是 C::f() ，不是A 的也不是 B 的而是C的，这就是因为虚函数的跳转。

反向跳转：析构对象时，虚函数表引导从最派生类开始，逐级调用所有析构函数（派生 → 基类）。

特点：逐级调用每一层的析构函数，不能省略。

示例

#include <iostream>
using namespace std;
class A {
public:virtual void f() { cout << "A::f" << endl; }virtual ~A() { cout << "~A()" << endl; }
};class B : public A {
public:void f() override { cout << "B::f" << endl; }~B() { cout << "~B()" << endl; }
};class C : public B {
public:void f() override { cout << "C::f" << endl; }~C() { cout << "~C()" << endl; }
};
void main() {A* a = new C();delete a;
}

输出

~C()
~B()
~A()

所以我们如果要解决上述的那个问题：就需要将 A 的析构函数改成虚函数

#include <iostream>
using namespace std;class A {
public:A() { cout << "A::A()" << endl; }virtual ~A() { cout << "A::~A()" << endl; }
};class B :public A
{
public:B(int i) {buf = new char[i];cout << "B::B(int)" << endl;}~B() {delete[]buf;cout << "B::~B() called." << endl;}
private:char* buf;
};void main() {A* a = new B(15);delete a;
}

输出

A::A()
B::B(int)
B::~B() called.
A::~A()

注意：

最好避免在构造函数和析构函数中调用虚函数。
在构造函数或析构函数中调用虚函数时，不会启用运行时多态性。

#include <iostream>
using namespace std;
class Base{
public:Base(){cout << "Bse constructor start" << endl;call();//调用虚函数cout << "Bse constructor end" << endl;}virtual void call(){cout << "Base::call()" << endl;}virtual ~Base(){cout << "Base destructor start" << endl;call();//析构再次调用虚函数cout << "Base destructor end" << endl;}
};class Derived : public Base {
public:Derived() {cout << "Derived constructor\n";}void call() override {cout << "Derived::call()\n";}~Derived() {cout << "Derived destructor\n";}
};
int main() {Derived d;return 0;
}

输出

Base constructor start
Base::call()
Base constructor end
Derived constructor
Derived destructor
Base destructor start
Base::call()
Base destructor end

说明：

即使 Derived 中重写了 call() 函数，构造函数和析构函数中调用的都是Base::call() 。
这是因为：
- 在构造 Base 的时候， Derived 还没构造完，因此不会使用它的虚函数表。
- 在析构 Base 时，Derived 已经开始析构，也不会再用它的虚函数表。