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深入理解C++多态：从概念到实现

news 2025/8/11 9:58:37

前言

一、多态的概念

二、多态的实现条件

三、虚函数与重写

3.1 虚函数

3.2 虚函数重写

四、抽象类

五、多态的原理

5.1 虚函数表（虚表）

5.2 多态调用过程

六、继承中的虚表

6.1 单继承

6.2 多继承

七、常见问题

八、面试题解析

总结

前言

多态是面向对象编程的三大特性之一（封装、继承、多态），也是C++中最为强大的特性之一。它允许我们以统一的方式处理不同类型的对象，极大地提高了代码的灵活性和可扩展性。本文将全面解析C++多态的概念、实现原理以及相关技术细节。

`一、多态的概念`

多态（Polymorphism）源自希腊语，意为"多种形态"。在编程中，它指的是同一个行为在不同对象上表现出不同的状态。

生活中的例子： - 买票行为：普通人全价，学生半价，军人优先 - 支付宝红包：不同用户扫码获得不同金额的红包

这些例子都体现了"同一行为，不同表现"的多态思想。

`二、多态的实现条件`

在C++中，要实现多态需要满足两个基本条件：

1. 必须通过基类的指针或引用调用虚函数 2. 被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对基类的虚函数进行重写

class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};class Student : public Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};void Func(Person& p) {p.BuyTicket();  // 多态调用
}

`三、虚函数与重写`

`3.1 虚函数`

使用`virtual`关键字修饰的成员函数称为虚函数：

virtual 返回类型 函数名(参数列表);

`3.2 虚函数重写`

派生类中重写基类虚函数时需要满足"三同"原则： - 函数名相同 - 参数列表相同 - 返回值类型相同（协变例外）

协变：派生类重写基类虚函数时，返回值类型可以是基类虚函数返回类型的派生类。

class A {};
class B : public A {};class Person {
public:virtual A* f() { return new A; }
};class Student : public Person {
public:virtual B* f() { return new B; }  // 协变
};

`四、抽象类`

包含纯虚函数的类称为抽象类（接口类），不能实例化对象。

class Car {
public:virtual void Drive() = 0;  // 纯虚函数
};

抽象类强制派生类实现特定接口，体现了接口继承的思想。

`五、多态的原理`

`5.1 虚函数表（虚表）`

每个包含虚函数的类都有一个虚表，其中存储了虚函数的地址。对象中包含一个指向虚表的指针（vfptr）。

class Base {
public:virtual void Func1() { /*...*/ }virtual void Func2() { /*...*/ }
private:int _b = 1;
};

`sizeof(Base)`在32位系统下为8字节（4字节vfptr + 4字节int）。

`5.2 多态调用过程`

1. 通过对象的vfptr找到虚表 2. 在虚表中查找对应的虚函数 3. 调用该函数

这种运行时确定调用函数的过程称为动态绑定

`六、继承中的虚表`

`6.1 单继承`

派生类虚表包含： 1. 基类虚函数（被重写的会被覆盖） 2. 派生类新增的虚函数

`6.2 多继承`

派生类会有多个虚表（对应每个基类），未重写的虚函数放在第一个基类的虚表中。

`七、常见问题`

1. inline函数可以是虚函数吗？可以，但编译器会忽略inline属性。

2. 静态成员可以是虚函数吗？不能，因为没有this指针。

3. 构造函数可以是虚函数吗？不能，因为虚表指针在构造函数中初始化。

4. 析构函数应该是虚函数吗？基类析构函数应该是虚函数，确保正确调用派生类析构函数。

`八、面试题解析`

8.1 选择题示例

题目：以下程序输出结果是什么？

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();return 0;
}

答案：B->1 解析：虽然B重写了func，但默认参数在编译时确定，使用的是基类的默认参数。

8.2 问答题示例

题目：多态的实现原理？答案：通过虚函数表和虚表指针实现。每个包含虚函数的类有一个虚表，对象中包含指向虚表的指针。调用虚函数时，通过指针找到虚表，再找到对应的函数地址进行调用。