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C++三大特性之多态

news 来源：原创 2025/5/17 8:06:25

一、多态的定义及实现

1.1、多态的概念

通俗来说，就是多种形态，具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。

1.2、多态的构成条件

多态是在不同继承关系的类对象，去调用同一函数，产生了不同的行为。比如Student继承了Person。Person对象买票全价，Student对象买票半价。
在继承中要构成多态还有两个条件：

必须通过基类的指针或者引用调用虚函数。
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。

1.2.1、虚函数的重写

虚函数的重写(覆盖)：派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数(即派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。我们看如下例子：

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 BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }*/
};

上面的派生类Student 的 BuyTicket() 与Person 的 BuyTicket() 构成了重写。注意：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因为继承后基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性),但是该种写法不是很规范，不建议这样使用。

1.2.2、析构函数的重写（基类与派生类析构函数名字不同）

如果基类的析构函数为虚函数，此时派生类析构函数只要定义，无论是否加virtual关键字，都与基类的析构函数构成重写，虽然基类与派生类析构函数名字不同。虽然函数名不相同，看起来违背了重写的规则，其实不然，这里可以理解为编译器对析构函数的名称做了特殊处理，编译后析构函数的名称统一处理成destructor。

1.3、C++11 override和final

1、final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

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

2、override：检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有重写编译报错。

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

二、多态的原理

2.1、虚函数表

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
};
 
int main()
{
	Base a;
	cout << sizeof(a) << endl;
	return 0;
}

输出：8

我们看到，除了_b成员，还多一个__vfptr放在对象的前面(注意有些平台可能会放到对象的最后面，这个跟平台有关)，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual，f代表function)。

具体代码如下：

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Base::Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func2()
	{
		cout << "Base::Func2()" << endl;
	}
	void Func3()
	{
		cout << "Base::Func3()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Derive::Func1()" << endl;
	}
private:
	int _d = 2;
};
 
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}

2.2、多态的原理

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();
}
int main()
{
	Person Mike;
	Func(&Mike);
	Student Johnson;
	Func(&Johnson);
	return 0;
}

通过上面对虚表的学习，我们也大概清楚了每个对象都有属于自己的虚表。而自己的虚表中存储的是自己的虚函数。在调用时，会到指针所指向的对象的虚表中找到对应的虚函数进行调用。具体我们可看下图：

2.3、静态绑定与动态绑定

1、静态绑定：静态绑定是在编译时确定调用的函数或方法，它是通过函数或方法的名称、参数数量、类型和顺序来匹配确定的。对于非虚拟函数和静态成员函数，默认情况下都是静态绑定。例如，在以下代码中：

class Base {
public:
    void display() {
        std::cout << "Base class" << std::endl;
    }
};
 
class Derived : public Base {
public:
    void display() {
        std::cout << "Derived class" << std::endl;
    }
};
 
int main() {
    Base baseObj;
    Derived derivedObj;
    
    baseObj.display();      // 静态绑定，输出 "Base class"
    derivedObj.display();   // 静态绑定，输出 "Derived class"
}

2、动态绑定：动态绑定是指在运行时确定调用的函数或方法，它是通过虚拟函数和指针/引用来实现的。虚拟函数是在基类中声明为虚拟的成员函数，在派生类中进行重写。通过使用基类的指针或引用调用虚拟函数时，实际调用的是派生类中重写的函数。例如，在以下代码中：

class Base {
public:
    virtual void display() {
        std::cout << "Base class" << std::endl;
    }
};
 
class Derived : public Base {
public:
    void display() {
        std::cout << "Derived class" << std::endl;
    }
};
 
int main() {
    Base* basePtr;
    Derived derivedObj;
 
    basePtr = &derivedObj;
    basePtr->display();   // 动态绑定，输出 "Derived class"
}

三、抽象类

所谓的抽象类，在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫接口类），抽象类不能实例化出对象。派生类继承后也不能实例化出对象，只有重写纯虚函数，派生类才能实例化出对象。纯虚函数规范了派生类必须重写，另外纯虚函数更体现出了接口继承。我们可结合如下例子理解：

class Car
{
public:
	virtual void Drive() = 0;
};
class Benz :public Car
{
public:
	virtual void Drive()
	{
		cout << "Benz-舒适" << endl;
	}
};
class BMW :public Car
{
public:
	virtual void Drive()
	{
		cout << "BMW-操控" << endl;
	}
};
void Test()
{
	Car* pBenz = new Benz;
	pBenz->Drive();
	Car* pBMW = new BMW;
	pBMW->Drive();
}