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虚函数与多态

news 来源：原创 2025/5/24 12:34:24

在 C++ 中，虚函数（virtual function）使得通过基类指针或引用调用派生类中的函数时能够实现动态绑定（动态多态）。虚函数允许程序在运行时根据实际对象的类型（而不是指针或引用的类型）来决定调用哪个函数，这就是多态的核心。

多态有两种类型：

静态多态：编译时决定调用哪个函数，通常通过函数重载和模板实现。
动态多态：运行时根据对象的实际类型决定调用哪个函数，这通常通过虚函数来实现。

虚函数与多态的使用通常依赖于继承。当基类和派生类之间存在继承关系时，基类中的虚函数可以被派生类重写（重载），并且在使用基类指针或引用调用该函数时，程序会自动调用派生类的实现。

虚函数和多态的实现

我们来看一个详细的例子来理解虚函数与多态是如何工作的：

#include<iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    virtual void display() {  // 声明虚函数
        cout << "Base display function" << endl;
    }
    
    virtual ~Base() {  // 虚析构函数
        cout << "Base destructor called" << endl;
    }
};

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

    ~Derived() {  // 派生类析构函数
        cout << "Derived destructor called" << endl;
    }
};

int main() {
    // 使用基类指针指向派生类对象
    Base* basePtr = new Derived();  // 基类指针指向派生类对象
    
    basePtr->display();  // 调用的是Derived类的display函数，因为display是虚函数

    // 删除派生类对象，调用虚析构函数
    delete basePtr;  // 这里会先调用Derived的析构函数，然后调用Base的析构函数
    return 0;
}

输出如下

虚函数的声明： 在 Base 类中，display 函数被声明为虚函数 (virtual)，这意味着如果有派生类继承自 Base 并重写这个函数，那么在通过基类指针或引用调用时，程序将根据实际的对象类型来决定调用哪个版本的 display 函数。

函数重写： Derived 类继承自 Base 类，并重写了 display 函数。注意，在 Derived 类中重写 display 时，使用了 override 关键字。这个关键字不是必需的，但它能帮助编译器检查我们是否正确重写了基类的虚函数。如果基类没有虚函数，或者函数签名不匹配，编译器会报错。

动态绑定： 在 main 函数中，我们创建了一个基类指针 basePtr，并将其指向一个 Derived 类对象。虽然 basePtr 是 Base 类型的指针，但由于 display 是虚函数，C++ 会在运行时通过指针指向的实际对象类型来调用合适的版本。因此，即使我们通过基类指针调用了 display 函数，实际调用的是 Derived 类中的版本，而不是 Base 类中的版本。

虚析构函数： 在删除对象时，如果基类指针指向派生类对象，并且基类的析构函数是虚拟的，那么程序会先调用派生类的析构函数，再调用基类的析构函数。这样可以确保派生类对象的资源得到正确释放，避免资源泄漏。

为什么要使用虚函数和多态？

动态绑定： 通过虚函数，可以在运行时决定调用哪个版本的函数。这样可以让代码更加灵活。例如，如果你有多个类继承自基类，并且这些类实现了相同的接口（虚函数），那么你就可以通过基类指针或者引用来操作这些派生类对象，而不需要关心它们的具体类型。
代码的扩展性： 如果你的程序中有一个使用基类指针的部分，而你需要向程序中添加新的类，只要这些新类实现了基类的虚函数接口，你的程序就能够正确处理它们，而不需要修改原有代码。
多态的实现： 多态是面向对象编程中一个强大的特性，它可以让你用统一的接口操作不同类型的对象，这使得代码更加简洁和高效。

小小总结一下