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【C++闯关笔记】详解多态

news 2025/10/25 10:09:39

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前言

一、多态是什么？

1.多态的概念

2.多态实现条件

二、多态的一些细节

1.虚函数的传染性与 override

2.虚函数重写的一些其他问题

1）多态特例：协变

2）析构函数的重写

3）重载、重写、重定义的细节对比

3.纯虚函数与抽象类

二、多态的原理

1.虚函数指针

2.虚函数表

本文总结

前言

作为C++面对对象编程三架马车的最后一架，多态因为站在前两者的肩膀上，所以比之前的内容知识都略显晦涩。本文将深入讨论多态，从知晓多态的概念到深入理解原理再到最后的实践运用。

一、多态是什么？

1.多态的概念

多态的概念：简单来说，就是多种形态，分为编译时能明确的称为为静态，运行时才能明确的角动态。即多态分为编译时多态(静态多态)和运行时多态(动态多态)。

编译时多态（静态多态）：函数重载和函数模板，他们传不同类型的参数就可以调用不同的函数，通过参数不同达到多种形态，之所以叫编译时多态。

运行时多态(动态多态)：执行某个函数（行为）时，不同的对象会有不同的结果发生。比如买票这个行为：同样是买票这个行为，成人买成人票，儿童买儿童票，学生买学生票。

静态多态函数重载和函数模板在之前的笔记中已经介绍过，这里就不再赘述，本文主要介绍动态多态。

2.多态实现条件

多态在C++中是一个继承关系的特殊情况，当父类对象与子类对象去调用同一函数，会产生不同的行为。

实现多态有三个必要条件

①类与类之间满足继承关系；

②被调用的函数必须是虚函数，并且完成了虚函数重写/覆盖；

③必须是基类的指针或者引用调用虚函数。

让我们来解释一下：

①虚函数：类成员函数前面加virtual修饰，那么这个成员函数被称为虚函数。注意非成员函数不能加virtual修饰。

class A
{
public: virtual void test1(){cout << "A: test1" << endl;}
private:int _a;char _b;
};

②重写/覆盖：派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数(即函数的返回值类型、函数名字、参数类型与个数完全相同)但函数体实现的行为不同，从而隐藏了基类的版本，称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。

class A
{
public: virtual void test1(){cout << "A: test1" << endl;}
private:int _a;char _b;
};class C :public A
{
public:virtual void test1(){cout << "C: test1" << endl;}
private:double _c;
};

二、多态的一些细节

1.虚函数的传染性与 override

在C++中，一旦一个函数在基类中被声明为virtual，它在所有派生类中都将保持虚函数的特性，无论你是否在子类中显式地写上virtual关键字。

也就是说在派生类中可以不用每次都频繁费事的写virtual关键字，但这带来了一些潜在问题：

class Base 
{
public:virtual void test(int x) {cout << "Base::test(int)" << endl;}
};class Derived : public Base 
{
public:// 程序员本意是想重写覆盖，但写错了函数名！void tset(intx) {  cout << "Derived::test(int)" << endl;}// 这实际上没有覆盖Base::test(int)，而是创建了一个新函数！
};

像上述写错函数名/变量名这样的小错误，在项目中却容易引起极大的问题。于是自C++11引入了override 关键字。

class Derived : public Base 
{
public://使用override，让编译器帮我们检查void tset(int x) override //// 编译器会报错{  cout << "Derived::test(int)" << endl;}
};

所以派生类中：

可以省略virtual关键字（因为会自动继承虚特性）
但一定要使用override关键字
对于不希望被进一步重写的函数，可以在基类中可以添加final关键字。

class A
{
public: virtual void test2()final{cout << "A: test2" << endl;}
private:int _a;char _b;
};

2.虚函数重写的一些其他问题

1）多态特例：协变

原本多态要求重写虚函数时，虚函数的返回值类型要一样，但却有个例外：协变。

协变，即派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型是不同的：基类虚函数返回基类类型（或其指针/引用），派生类虚函数返回派生类类型（或其指针/引用），并且这些类型之间存在继承关系，这就构成了协变。

关键限制：必须是指针或引用类型，不能是按值返回。

使用场景与用法如下

引入协变前：

class Animal 
{
public:virtual Animal* create() {return new Animal();}
};class Dog : public Animal 
{
public:// 如果不支持协变，我们只能这样写：Animal* create() override {return new Dog();  // 必须返回Animal*，即使创建的是Dog}
};void example()
{Dog dog;Animal* animal = dog.create();  // 返回的是Animal*// 想要调用Dog特有方法，必须进行向下转型Dog* dogPtr = dynamic_cast<Dog*>(animal);
}

引入协变后：

class Animal 
{
public:virtual Animal* create() {return new Animal();}
};class Dog : public Animal 
{
public:// 支持协变，可以直接返回Dog*Dog* create() override {return new Dog();}
};void example() 
{Dog dog;Dog* dogPtr = dog.create();  // 直接得到Dog*，不需要转型Animal* animal = dog.create();  // 也可以赋值给基类指针
}

2）析构函数的重写

只要将基类的析构函数设置为虚函数，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看起来不符合重写的规则，实际上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 destructor，所以基类的析构函数加了vialtual修饰，派生类的析构函数就构成重写。

为什么要这样做？

当一个基类的指针或者引用指向一个派生类对象，若派生类准备析构时会调谁的析构函数？基类，还是派生类？实际上如果基类没有将析构函数函数设置为虚函数，那么调用的是基类的析构函数，此时若派生类对象中有额外资源申请，由于没有调用派生类析构函数就造成了资源泄漏！

对构函数的名称统一处理的目的，正是为了在多态情况下能正常析构派生类对象。

3）重载、重写、重定义的细节对比

3.纯虚函数与抽象类

在虚函数的后面写上=0，则这个函数为纯虚函数，纯虚函数可以有定义实现(实现没啥意义因为要被派生类重写)，但一般只要声明即可。包含纯虚函数的类叫做抽象类，抽象类不能实例化出对象，如果派生类继承后不重写纯虚函数，那么派生类也是抽象类。

class A
{
public: virtual void test() = 0;
public:char _a;int _b;
};

二、多态的原理

1.虚函数指针

下面代码的输出结果是？

class A
{
public:virtual void test(){std::cout << "A" << std::endl;}
public:char _a;int _b;
};int main()
{A a;std::cout << sizeof(a) << std::endl;return 0;
}

由于内存对齐，在32位环境下打印出来应该是8字节（1Byte的_a，填充3字节，4Byte的_b，可点击前方蓝字查看内存对齐规则）。可实际打印出的结果是？

虚函数表指针

除了_a和_b成员，还多一个__vfptr放在对象的前面(有些平台可能会放到对象的最后面)，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针。一个含有虚函数的类中都至少都有一个虚函数表指针。

所以a对象的大小打印出来是12字节（4Byte的指针，1Byte的_a，填充3字节，4Byte的_b）。

2.虚函数表

虚函数表指针指向的自然就是虚函数表了，虚函数表中存放着一个类所有虚函数的地址，包括从基类继承的，和本类中函数前加virtual的，虚函数表也简称虚表。

这个虚函数表有什么作用呢？

当满足多态条件后，编译器不再是编译时就确定函数的地址，而是在运行时到指向的对象的虚函数表中查找对应的虚函数的地址。若派生类不重写虚函数，那么程序运行时派生类对象与基类对象调用的就是同一个函数地址；若派生类重写虚函数，那么新的虚函数地址就会覆盖继承下来的虚函数地址（这也是为什么叫覆盖的原因），达到同样的函数实现不同行为（因为实际上执行的函数体不同）。

这样就实现了指针或引用指向基类就调用基类的虚函数，指向派生类就调用派生类对应的虚函数。

虚函数表的有关细节

①同类型的对象共用同一张虚表，不同类型的对象各自有独立的虚表，所以可以理解为每个类都有自己的虚函数表；

②派生类继承下来的基类中有虚函数表指针，自己就不会再生成虚函数表指针。但是当派生类构造完成后，这个继承下来的虚函数表指针就不再指向基类的虚函数表，而是派生类自己的虚函数表。

③虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的；

④虚函数表存放在代码段，也就是常量区中。