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目录
多态的概念
多态的实现
协变
析构函数的重写
override和final（C++11）
override 关键字
final 关键字
重载、重写、重定义的区别
抽象类（纯虚函数）
多态的原理
虚函数表（vtable）
虚指针（vptr）
多态的实现步骤
动态绑定和静态绑定
多态的概念
多态就是函数调用的多种形态，使用多态能够使得不同的对象去完成同一件事时，产生不同的动作和结果。
多态是 C++ 实现「一个接口，多种实现」的核心机制。就像现实中的多功能工具（如瑞士军刀）通过统一的手柄适配不同功能模块，多态让代码灵活适应变化，是构建大型可扩展系统的基石。
支付系统
class Payment
{
public:virtual void process(double amount) = 0;
};class Alipay : public Payment
{void process(double amount) override { /* 支付宝支付逻辑 */ }
};class WeChatPay : public Payment
{void process(double amount) override { /* 微信支付逻辑 */ }
};// 用户选择支付方式时，无需修改核心代码
Payment* payment = new Alipay();
payment->process(100.0);多态的实现
多态是指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。在继承中要想构成多态需要满足构成运行时多态的四大条件：
- 必须存在类继承体系
- 基类中必须用
virtual关键字声明虚函数 - 派生类必须重写（override）基类虚函数
- 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
一、虚函数
virtual修饰的类成员函数被称为虚函数。
class Shape {
public:virtual void draw() { /* 虚函数 */ }
};
class Circle : public Shape {
public:void draw() { /* */ }
};- 只有类的非静态成员函数前可以加virtual，普通函数前不能加virtual
- 虚函数这里的virtual和虚继承中的virtual是同一个关键字，但是它们之间没有任何关系。
- 虚函数这里的virtual是为了实现多态
- 而虚继承的virtual是为了解决菱形继承的数据冗余和二义性
二、重写
虚函数的重写也叫做虚函数的覆盖，派生类的虚函数重写了基类的虚函数的条件：
- 若派生类中有一个和基类完全相同的虚函数
- 返回值类型相同
- 函数名相同
- 参数列表相同
class Animal
{
public:virtual void speak() { cout << "Animal sound"; }
};
class Cat : public Animal {
public:void speak() override { // 正确重写cout << "Meow"; }
};三、基类指针/引用调用
错误示范
class Animal
{
public:virtual void speak() { cout << "Animal sound"; }
};
class Cat : public Animal {
public:void speak() override { // 正确重写cout << "Meow"; }
};
Cat cat;
cat.speak(); // 直接调用，静态绑定
Animal animal = cat; // 对象切片
animal.speak(); // 调用 Animal::speak()正确调用
// 条件1：继承关系
class Animal
{
public:// 条件2：虚函数声明virtual void speak() {cout << "Animal sound\n";}virtual ~Animal() = default; // 虚析构函数
};class Dog : public Animal
{ // 继承
public:// 条件3：派生类重写void speak() override {cout << "Woof!\n";}
};int main()
{// 条件4：基类指针调用Animal* animal = new Dog();animal->speak(); // 输出 Woof!delete animal;
}协变
协变是虚函数重写的例外，一个特殊例子
-
返回值协变：允许派生类虚函数的返回类型是基类虚函数返回类型的 子类类型
-
类型方向：与继承方向一致（协变 = 共同变化）
class Base { /*...*/ };
class Derived : public Base { /*...*/ };class A
{
public:virtual Base* create(); // 基类返回 Base*
};class B : public A
{
public:Derived* create() override; // 协变：返回更具体的 Derived*
};协变的实现条件
| 条件 | 说明 | 违反示例 |
|---|---|---|
| 1. 继承关系 | 派生类返回类型必须从基类返回类型派生 | Base* vs Unrelated* |
| 2. 虚函数重写 | 必须使用 override 关键字明确重写 | 缺少 override 导致隐藏 |
| 3. 类型兼容性 | 必须为指针或引用类型（值类型会导致对象切片） | Base vs Derived（值类型） |
| 4. 函数签名一致性 | 参数列表必须严格相同 | 参数不同导致函数隐藏 |
注意：值类型不适用协变 ，会发生对象切片
析构函数的重写
确保通过基类指针删除派生类对象时，正确调用派生类的析构函数。
错误示范：虚构函数未重写 （内存泄露）
class Base
{
public:~Base() { cout << "释放基类" << endl; } // 错误！
};class Derived : public Base {int* data;
public:Derived() { data = new int[100]; }~Derived() { delete[] data;cout << "派生类" << endl;} // 不会被调用！
};int main()
{Base* obj1 = new Base();Base* obj2 = new Derived();delete obj1;delete obj2; // 仅调用 Base::~Base() → 内存泄漏！// 释放基类
}正确示范：基类析构函数需要重写
class Base
{
public:virtual ~Base() { cout << "释放基类" << endl; } // 错误！
};class Derived : public Base
{int* data;
public:Derived() { data = new int[100]; }~Derived() { delete[] data;cout << "释放派生类" << endl;} // 不会被调用！
};int main()
{Base* obj1 = new Base();Base* obj2 = new Derived();delete obj1;delete obj2; // 仅调用 Base::~Base() → 内存泄漏！// 释放派生类// 释放基类
}析构函数的重写要点
-
隐式虚继承：一旦基类析构函数为虚，所有派生类析构函数自动成为虚函数，无需显式声明
-
析构函数调用顺序
-
销毁顺序：派生类析构 → 成员对象析构 → 基类析构
-
无需显式调用基类析构函数（编译器自动处理）
-
在继承当中，子类和的析构函数和父类的析构函数构成隐藏的原因就在这里，这里表面上看子类的析构函数和父类的析构函数的函数名不同，但是为了构成重写，编译后析构函数的名字会被统一处理成 destructor();
override和final（C++11）
override 关键字
作用
-
显式标记重写：明确指示派生类中的函数旨在重写基类的虚函数。
-
编译时检查：编译器会验证派生类函数是否确实重写了基类的虚函数（函数签名一致），避免因签名不匹配导致的隐藏而非重写。
使用场景
-
当派生类重写基类的虚函数时，建议始终使用
override。 -
避免因参数类型、常量性或引用限定符不匹配导致的意外行为。
class Base
{
public:virtual void func(int x) const;
};class Derived : public Base
{
public:void func(int x) const override; // 正确：签名一致// void func(double x) override; // 错误：参数类型不匹配，编译报错
};注意事项
-
只能用于虚函数重写，不可用于非虚函数。
-
若基类没有对应的虚函数，或签名不一致，编译器会报错。
final 关键字
作用
-
禁止继承：修饰类时，表示该类不可被继承。
-
禁止重写：修饰虚函数时，表示该函数在派生类中不可被进一步重写。
使用场景
-
类设计：工具类、单例类或核心组件类，确保其行为不被继承破坏。
-
虚函数设计：关键接口或算法，防止派生类修改核心逻辑。
修饰类（禁止继承）
class Base final
{ // ...
};// class Derived : public Base {}; // 错误：Base 被声明为 final修饰虚函数（禁止重写）
class Base
{
public:virtual void func() final; // 此虚函数不可被重写
};class Derived : public Base
{
public:// void func() override; // 错误：func 是 final 的
};注意事项
-
final可同时与override联用，表示重写后禁止进一步修改。「重写后禁止进一步重写」 指的是当一个虚函数在某个派生类中被重写后，可以通过final关键字明确禁止后续更下层的派生类再次重写该方法。这种设计可以 冻结继承链中某层的行为，确保从该层开始的所有子类都使用当前版本的函数实现。 -
class Derived : public Base { public:void func() override final; // 先重写，再禁止后续派生类修改 }; -
不可用于非虚函数，否则编译错误。
重载、重写、重定义的区别
| 特性 | 重载（Overloading） | 重写（Overriding） | 重定义（Redefining） |
|---|---|---|---|
| 作用域 | 同一作用域（类内/命名空间内） | 继承体系（基类→派生类） | 继承体系（基类→派生类） |
| 函数关系 | 同名不同参 | 同名同参，基类虚函数 | 同名（参数可不同），基类非虚函数 |
| 多态性 | 编译时多态（静态绑定） | 运行时多态（动态绑定） | 无多态（静态绑定） |
| 关键字要求 | 无 | virtual + override | 无 |
| 常见用途 | 提供同一操作的多种实现 | 实现多态接口 | 修改基类非虚函数行为 |
抽象类（纯虚函数）
抽象类（Abstract Class） 是通过包含 纯虚函数（Pure Virtual Function） 定义的类，其核心目的是为派生类提供统一的接口规范。
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。
//抽象类（接口类）
class Car
{
public://纯虚函数virtual void Drive() = 0;
};Car c; //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
// 抽象类（接口类）
class Car
{
public:// 纯虚函数virtual void Drive() = 0;
};
// 派生类
class Benci : public Car
{
public://重写纯虚函数virtual void Drive(){cout << "Benz-舒适" << endl;}
};
// 派生类
class BMW : public Car
{
public://重写纯虚函数virtual void Drive(){cout << "BMV-操控" << endl;}
};// 不同对象用基类指针调用Drive函数，完成不同的行为
Car* p1 = new Benci();
Car* p2 = new BMW();
p1->Drive(); // Benci-舒适
p2->Drive(); // BMW-操控
实现继承： 普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数的实现，可以使用该函数。
接口继承： 虚函数的继承是一种接口继承，派生类继承的是基类虚函数的接口，目的是为了重写，达成多态。
建议：如果不实现多态，就不要把函数定义成虚函数。
多态的原理
多态（Polymorphism） 的核心原理基于 虚函数表（vtable） 和 虚指针（vptr） 的机制，通过 动态绑定（Dynamic Binding） 实现运行时多态。
我们来做一个简单的实验
Base类实例化出对象的大小是多少？
class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}
private:int _b = 1;
};Base a;
sizeof(a); // 16我们发现Base对象只有一个成员变量（_b），但是Base对象的大小却是16
我么启动监视窗口，a对象多出来一个 _vfptr指针
这个指针叫做虚函数表指针，简称虚表指针，虚表指针指向一个虚函数表，简称虚表，每一个含有虚函数的类中都至少有一个虚表指针。
虚函数表（vtable）
-
定义：每个包含虚函数的类都有一个隐式生成的虚函数表（编译期创建）。
-
存储内容：
虚表条目 说明 虚函数地址 按声明顺序存储类的所有虚函数地址 RTTI 信息指针 指向类型信息（用于 typeid和dynamic_cast） -
内存位置：通常位于程序的 只读数据段（.rodata）。
虚函数表存储的内容
class A
{
public:virtual void Func1(){ cout << "A::Func1()" << endl;}virtual void Func2(){ cout << "A::Func2()" << endl;}void Func3(){ cout << "A::Func3()" << endl;}
private:int _a = 1;
};
class B : public A
{
public:virtual void Func1(){ cout << "B::Func1()" << endl;}
private:int _b = 1;
};A* a = new A();
a->Func1();A* b = new B();
b->Func1();父类对象a和子类对象b当中除了自己的成员变量之外，父类和子类对象都有一个虚表指针，分别指向属于自己的虚表。
虚指针（vptr）
-
定义：每个对象实例内部隐式包含一个指向其所属类 vtable 的指针。
-
内存布局：通常位于对象内存布局的 起始位置。
-
初始化时机：
-
对象构造时，由构造函数自动设置 vptr 指向正确的 vtable。
-
派生类对象的 vptr 在构造过程中会被多次修改（基类→派生类）。
-
多态的实现步骤
当通过基类指针调用虚函数时：
A* a = new A();
a->Func1(); // A::Func1()A* b = new B();
b->Func1(); // B::Func1()底层执行步骤：
-
获取 vptr：通过对象地址访问其 vptr（
mov rax, [obj]）。 -
查找虚表：根据 vptr 找到对应的虚函数表。
-
计算偏移：确定目标虚函数在虚表中的位置（如
func1是第一个条目，偏移 0）。 -
调用函数：通过函数地址跳转执行
错误示范：
使用父类对象调用虚函数时：
A a1;
B b1;A ptr1 = a1; // 拷贝构造
ptr1.Func1(); // A::Func1() A ptr2 = b1;
ptr2.Func1(); // A::Func1()对象切片得到部分成员变量后，会调用父类的拷贝构造函数对那部分成员变量进行拷贝构造，而拷贝构造出来的父类对象p1和p2当中的虚表指针指向的都是父类对象的虚表。因为同类型的对象共享一张虚表，他们的虚表指针指向的虚表是一样的。
因此，我们后序用 ptr1 和 ptr2 调用虚函数时，ptr1 和 ptr2 通过虚表指针找到的虚表是一样的，最终调用的函数也是一样的，也就无法构成多态。
总结一下：
- 构成多态，指向谁就调用谁的虚函数，跟对象有关。
- 不构成多态，对象类型是什么就调用谁的虚函数，跟类型有关。
从编译到运行的完整流程
编译阶段
-
虚表构建：编译器为每个含虚函数的类生成唯一的虚表。
-
vptr 插入：在对象布局中插入虚指针。
-
虚函数调用转换：将
obj->func()编译为通过 vptr 和虚表的间接调用。
运行时阶段
-
对象构造：构造函数设置 vptr 指向当前类的虚表，虚表实际上是在构造函数初始化列表阶段进行初始化的
-
动态绑定：通过虚指针查找虚表，确定实际调用的函数地址。
-
析构过程：析构函数反向调整 vptr（从派生类到基类）。
| 操作 | 普通函数调用 | 虚函数调用 |
|---|---|---|
| 寻址方式 | 直接地址调用 | 两次间接寻址（vptr → vtable → 函数） |
| 汇编指令 | call <固定地址> | call [寄存器+偏移] |
| 性能影响 | 无额外开销 | 多约 10-20% 的指令周期 |
动态绑定和静态绑定
静态绑定： 静态绑定又称为前期绑定(早绑定)，在程序编译期间确定了程序的行为，也成为静态多态，比如：函数重载。
动态绑定： 动态绑定又称为后期绑定(晚绑定)，在程序运行期间，根据具体拿到的类型确定程序的具体行为，调用具体的函数，也称为动态多态。