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C++中的多态：动态多态与静态多态详解

news 2025/11/7 12:06:45

多态是面向对象编程的三大特性之一，C++提供了两种主要的多态形式：动态多态和静态多态。本文将详细解释它们的区别，并通过代码示例进行说明。

什么是多态？

多态（Polymorphism）指同一个接口可以表现出不同的行为。在C++中，这允许我们使用统一的接口来处理不同类型的对象。

动态多态（运行时多态）

动态多态在程序运行时确定调用哪个函数，主要通过虚函数和继承机制实现。

实现机制

使用虚函数（virtual function）
通过继承关系
运行时通过虚函数表（vtable）决定调用哪个函数

代码示例

#include <iostream>
using namespace std;// 基类
class Animal {
public:// 虚函数virtual void makeSound() {cout << "Animal makes a sound" << endl;}virtual ~Animal() = default; // 虚析构函数
};// 派生类
class Dog : public Animal {
public:void makeSound() override {cout << "Dog barks: Woof! Woof!" << endl;}
};class Cat : public Animal {
public:void makeSound() override {cout << "Cat meows: Meow! Meow!" << endl;}
};// 使用动态多态
void animalSound(Animal* animal) {animal->makeSound(); // 运行时决定调用哪个makeSound
}int main() {Dog dog;Cat cat;Animal animal;// 通过基类指针调用，表现出多态行为Animal* animals[] = {&animal, &dog, &cat};for (auto* animal : animals) {animalSound(animal);}return 0;
}

输出：

Animal makes a sound
Dog barks: Woof! Woof!
Cat meows: Meow! Meow!

动态多态特点

运行时绑定：函数调用在运行时决定
灵活性高：可以在运行时改变行为
性能开销：有虚函数表查找的开销
必须使用指针或引用：通过基类指针或引用调用

静态多态（编译时多态）

静态多态在编译时确定调用哪个函数，主要通过函数重载和模板实现。

1. 函数重载

#include <iostream>
using namespace std;class Calculator {
public:// 函数重载 - 静态多态int add(int a, int b) {return a + b;}double add(double a, double b) {return a + b;}string add(const string& a, const string& b) {return a + b;}
};int main() {Calculator calc;cout << "Int addition: " << calc.add(5, 3) << endl;cout << "Double addition: " << calc.add(5.5, 3.3) << endl;cout << "String addition: " << calc.add("Hello, ", "World!") << endl;return 0;
}

输出：

Int addition: 8
Double addition: 8.8
String addition: Hello, World!

2. 模板（泛型编程）

#include <iostream>
#include <vector>
#include <list>
using namespace std;// 函数模板 - 静态多态
template<typename T>
T multiply(T a, T b) {return a * b;
}// 类模板
template<typename Container>
void printContainer(const Container& container) {for (const auto& item : container) {cout << item << " ";}cout << endl;
}// 特化示例
template<>
string multiply<string>(string a, string b) {return "String multiplication not supported";
}int main() {// 模板函数使用cout << "Int multiplication: " << multiply(5, 3) << endl;cout << "Double multiplication: " << multiply(5.5, 2.0) << endl;cout << "String multiplication: " << multiply<string>("hello", "world") << endl;// 模板类使用vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};list<string> lst = {"apple", "banana", "cherry"};cout << "Vector: ";printContainer(vec);cout << "List: ";printContainer(lst);return 0;
}

输出：

Int multiplication: 15
Double multiplication: 11
String multiplication: String multiplication not supported
Vector: 1 2 3 4 5 
List: apple banana cherry

3. CRTP（奇异递归模板模式）

#include <iostream>
using namespace std;// CRTP基类
template<typename Derived>
class AnimalBase {
public:void makeSound() {static_cast<Derived*>(this)->makeSoundImpl();}
};// 派生类
class Dog : public AnimalBase<Dog> {
public:void makeSoundImpl() {cout << "Dog barks: Woof! Woof!" << endl;}
};class Cat : public AnimalBase<Cat> {
public:void makeSoundImpl() {cout << "Cat meows: Meow! Meow!" << endl;}
};// 使用静态多态
template<typename T>
void animalSound(AnimalBase<T>& animal) {animal.makeSound(); // 编译时决定调用哪个函数
}int main() {Dog dog;Cat cat;animalSound(dog);animalSound(cat);return 0;
}

输出：

Dog barks: Woof! Woof!
Cat meows: Meow! Meow!

动态多态 vs 静态多态

特性	动态多态	静态多态
绑定时间	运行时	编译时
实现机制	虚函数、继承	模板、函数重载
性能	有运行时开销（虚表查找）	无运行时开销
灵活性	运行时决定行为	编译时决定行为
二进制大小	较小	可能较大（模板实例化）
调试难度	相对容易	相对困难
使用场景	需要运行时动态行为	性能要求高，类型已知