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深入理解C++多态：从概念到实现原理

news 2025/9/11 12:44:33

深入理解C++多态：从概念到实现原理

一、多态的概念

二、多态的实现条件

2.1 虚函数与重写

2.2 多态调用示例

三、多态的特殊情况

3.1 协变（Covariant）

3.2 析构函数的多态

3.3 override和final关键字

四、纯虚函数与抽象类

五、多态的原理

5.1 虚函数表（vtable）

5.2 多态调用机制

5.3 动态绑定 vs 静态绑定

六、总结

深入理解C++多态：从概念到实现原理

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。本文将全面介绍C++多态的概念、实现方式及其底层原理。

一、多态的概念

多态(polymorphism)通俗来说就是"多种形态"。在C++中，多态分为两种类型：

编译时多态（静态多态）：主要通过函数重载和函数模板实现。编译器在编译时根据参数类型决定调用哪个函数。
运行时多态（动态多态）：这是本文重点，指在程序运行时根据对象类型决定调用哪个函数。例如：
- 买票行为：普通人全价，学生优惠，军人优先
- 动物叫声：猫"喵"，狗"汪汪"

二、多态的实现条件

要实现运行时多态，必须满足以下条件：

继承关系：必须存在基类和派生类的继承关系
虚函数：基类中必须声明虚函数，派生类中必须重写该虚函数
基类指针/引用：必须通过基类的指针或引用调用虚函数

2.1 虚函数与重写

虚函数是在成员函数前加virtual关键字修饰的函数：

class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};

派生类重写虚函数时，函数签名必须完全相同（返回值、函数名、参数列表）：

class Student : public Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
};

2.2 多态调用示例

void Func(Person* ptr) {ptr->BuyTicket();  // 多态调用
}int main() {Person ps;Student st;Func(&ps);  // 输出"买票-全价"Func(&st);  // 输出"买票-打折"return 0;
}

三、多态的特殊情况

3.1 协变（Covariant）

派生类重写虚函数时，返回值类型可以是基类函数返回类型的派生类：

class A {};
class B : public A {};class Person {
public:virtual A* BuyTicket() { return nullptr; }
};class Student : public Person {
public:virtual B* BuyTicket() { return nullptr; }
};

3.2 析构函数的多态

基类析构函数应声明为虚函数，否则通过基类指针删除派生类对象时，只会调用基类析构函数：

class A {
public:virtual ~A() { cout << "~A()" << endl; }
};class B : public A {
public:~B() { cout << "~B()" << endl; }
};int main() {A* p = new B;delete p;  // 正确调用~B()和~A()return 0;
}

3.3 override和final关键字

C++11引入了override和final关键字：

override：显式声明重写，编译器会检查是否正确重写
final：禁止派生类重写该虚函数

class Car {
public:virtual void Drive() {}
};class Benz : public Car {
public:virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};

四、纯虚函数与抽象类

在虚函数后加=0声明纯虚函数，包含纯虚函数的类称为抽象类，不能实例化：

class Car {
public:virtual void Drive() = 0;  // 纯虚函数
};class Benz : public Car {
public:virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};int main() {// Car car;  // 错误：抽象类不能实例化Car* p = new Benz;p->Drive();return 0;
}

五、多态的原理

5.1 虚函数表（vtable）

每个包含虚函数的类都有一个虚函数表，存储该类所有虚函数的地址。对象中包含一个指向虚函数表的指针（vptr）。

class Base {
public:virtual void Func1() { cout << "Func1()" << endl; }
protected:int _b = 1;char _ch = 'x';
};// sizeof(Base) == 12 (32位系统)
// 包含：vptr(4) + _b(4) + _ch(1) + 对齐(3)