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c++中的静态多态和动态多态简介

news 来源：原创 2025/6/24 4:00:39

在 C++ 中，多态性（Polymorphism） 分为 静态多态（Static Polymorphism） 和 动态多态（Dynamic Polymorphism），二者通过不同的机制实现代码的灵活性。以下是详细对比和核心要点：

一、静态多态（编译时多态）

定义

实现方式

1.函数重载（Function Overloading）

2.模板（Templates）

3.运算符重载（Operator Overloading）

特点

典型应用

二、动态多态（运行时多态）

定义

实现方式

特点

典型应用

三、核心区别对比表

四、选择策略

使用静态多态的场景

使用动态多态的场景

五、混合使用技术

CRTP（奇异递归模板模式）

类型擦除（Type Erasure）

六、性能对比数据

总结建议

一、静态多态（编译时多态）

定义

在编译期间确定具体调用的函数或操作，不依赖运行时类型信息。

实现方式

1.函数重载（Function Overloading）

void print(int x) { /* 处理整型 */ }
void print(double x) { /* 处理浮点型 */ }

编译器根据参数类型选择函数。

2.模板（Templates）

template <typename T>
T add(T a, T b) { return a + b; }

add(1, 2);    // 实例化为 int 版本
add(1.0, 2.0); // 实例化为 double 版本

编译时生成具体类型的代码。

3.运算符重载（Operator Overloading）

Vector operator+(const Vector& a, const Vector& b) { 
    return Vector(a.x + b.x, a.y + b.y);
}

特点

优点：
- 零运行时开销（无虚函数调用）
- 支持泛型编程（如 STL 容器和算法）
缺点：
- 编译时间增加（模板实例化）
- 错误信息复杂（模板报错难以理解）

典型应用

STL 容器（vector<T>、map<K,V>）
泛型算法（std::sort、std::transform）

二、动态多态（运行时多态）

定义

在程序运行期间根据对象类型动态决定调用的函数。

实现方式

虚函数（Virtual Functions）

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

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override { /* 画圆 */ }
};

Shape* shape = new Circle();
shape->draw(); // 运行时调用 Circle::draw()

虚表（vtable）机制
- 每个多态类有一个虚函数表
- 对象包含指向虚表的指针（vptr）

特点

优点：
- 支持运行时类型识别（RTTI）
- 代码扩展性强（新增派生类无需修改基类）
缺点：
- 运行时开销（虚表查找，通常多一次指针间接访问）
- 对象内存增加（vptr 占用空间）

典型应用

GUI 框架（不同控件的事件处理）
插件系统（动态加载派生类）

三、核心区别对比表

特征	静态多态	动态多态
决议时机	编译时	运行时
实现机制	函数重载、模板	虚函数、继承
性能	无运行时开销	虚表查找开销
灵活性	依赖编译时已知类型	支持运行时类型动态绑定
代码膨胀	可能（模板实例化多份代码）	无（虚函数共享代码）
错误检测	编译时报错	可能运行时崩溃（错误转型等）

四、选择策略

使用静态多态的场景

需要高性能（如数值计算、游戏引擎）
类型在编译时已知（如泛型算法）
避免虚函数开销（嵌入式系统开发）

示例：

template <typename T>
void fastSort(T* arr, size_t size) { 
    // 模板实现高效排序
}

使用动态多态的场景

需要运行时扩展性（如插件架构）
处理异构对象集合（如 GUI 控件管理）
实现接口抽象（如设计模式中的策略模式）

示例：

class PaymentStrategy {
public:
    virtual void pay(int amount) = 0;
};

class CreditCardPayment : public PaymentStrategy {
public:
    void pay(int amount) override { /* 信用卡支付逻辑 */ }
};

// 运行时选择支付方式
PaymentStrategy* strategy = new CreditCardPayment();
strategy->pay(100);

五、混合使用技术

CRTP（奇异递归模板模式）

结合静态多态的高效与动态多态的接口统一性：

template <typename Derived>
class Base {
public:
    void interface() {
        static_cast<Derived*>(this)->implementation();
    }
};

class Derived : public Base<Derived> {
public:
    void implementation() { /* 具体实现 */ }
};

类型擦除（Type Erasure）

使用 std::function 或自定义包装器实现动态行为：

class AnyDrawable {
    struct Concept {
        virtual ~Concept() = default;
        virtual void draw() = 0;
    };

    template <typename T>
    struct Model : Concept {
        T obj;
        void draw() override { obj.draw(); }
    };

    std::unique_ptr<Concept> ptr;
public:
    template <typename T>
    AnyDrawable(T&& obj) : ptr(new Model<std::decay_t<T>>{std::forward<T>(obj)}) {}

    void draw() { ptr->draw(); }
};

// 使用
AnyDrawable shape1 = Circle();
AnyDrawable shape2 = Square();
shape1.draw(); // 动态调用

六、性能对比数据

操作	静态多态（模板）	动态多态（虚函数）
函数调用延迟	1.2 ns	3.5 ns
10^6 次调用耗时	1.2 ms	3.5 ms
内存占用（每个对象）	0 额外字节	8 字节（vptr）
代码体积增加	可能较大（实例化）	固定