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C++篇——多态

news 来源：原创 2025/6/26 6:45:42

引言

1，什么是多态

2. 多态的定义及实现

2_1，多态的构成条件

2_2，虚函数

2_3，虚函数的重写

2_4，虚函数重写的两个例外

2_4_1，协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)

2_4_2. 析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)

2_5，为什么要特殊处理析构函数？

2_6，C++11 override 和 ﬁnal

2_7，重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

3，抽象类

3_1，概念

3_2，接口继承和实现继承

4，多态原理

4_1虚函数表

4_2多态的原理

4_3，动态绑定与静态绑定

革命尚未成功，同志仍需努力

引言

上一期我们讲解了继承，这一期我们就要开始学习多态啦，废话不多说，下面是多态的学习时间。

1，什么是多态

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。

举个栗子：比如买票这个行为，当普通人买票时，是全价买票；学生买票时，是半价买票；军人买票时是优先买票。

再举个栗子：拼多多砍一刀大家熟悉吧，大家有没有去找小伙伴去砍现金呢？小编我有幸找了块30个小伙伴才成功薅到了50块钱羊毛，在这个中间，我一个同学听说可以领取50块钱，他也下载了一个拼多多，令我气愤的是他就找了7个人砍就拿到了这50块钱。小编猜测拼多多这里就用到了多态，新用户体现的难度是远远小于老用户的。（ps：拼多多砍一刀纯属猜测，大家仅供娱乐。）

2. 多态的定义及实现

2_1，多态的构成条件

多态是在不同的继承关系的类的对象，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。

那么在继承中要构成多态还有两个条件：

~1，必须通过父类的指针或者引用去调用虚函数

~2，被调用的函数必须是虚函数，并且派生类对基类的虚函数进行了重写（覆盖）

2_2，虚函数

在上面构成多态的两个条件中我们提到了虚函数的概念，那虚函数是什么呢？

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

class Person
{
private:string _name;int _age;
public:virtual void buy_ticket(){cout << "成人票 全价100元" << endl;}
};

2_3，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。

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

2_4，虚函数重写的两个例外

2_4_1，协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)

派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型不同。即基类虚函数返回基类对象的指针或者引用，派生类虚函数返回派生类对象的指针或者引用时，称为协变。

class A{};
class B : public A {};
class Person {
public:virtual A* f() {return new A;}
};
class Student : public Person {
public:virtual B* f() {return new B;}
};

2_4_2. 析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)

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。

2_5，为什么要特殊处理析构函数？

让我们看以下代码

在这里我们就能够很好的看见，语句 A* a2 = new B，我们是创建了一个 B 的对象将其指针向上赋值给 A* 。在堆上我们是有 20个 int 的空间，但是delete 只释放了 10个 int 的空间，这时候就空间泄露了。因为delete会去调用它的析构函数，如果不能构成多态（如上图）它就会调用父类的析构函数，这时候子类的那一部分资源就没有释放，就会有内存泄漏。

我们把析构函数前加上 virtual ，即使析构函数名不一样，也构成多态，在delete的时候，会根据它的实际对象去调用，即调用派生类的析构函数，这时候就不会发生空间泄露了。

2_6，C++11 override 和 ﬁnal

从上面可以看出，C++对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重载，而这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运行时没有得到预期结果才来debug会得不偿失，因此：C++11提供了override和ﬁnal两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。

ﬁnal: 修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

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。

2_7，重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

重载，重定义，重写大家是不是有些混淆了，这里给大家梳理一遍

重载：首先重载必须在统一作用域中，函数名/参数（包括参数的数量，类型，顺序）相同就构成重载。

重定义（隐藏） ：重定义是在继承中才有的现象，所以构成重定义两个函数的作用域分别在基类和派生类中。且只要函数名相同，就构成重定义（在不构成重写的情况下）。

重写（覆盖）：两个函数分别在基类和派生类的作用域中，且两个函数必须都是虚函数，这两个函数要三同（返回值，函数名，参数），（协变，析构函数除外）。

3，抽象类

3_1，概念

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。

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;}
};int main()
{Car* car1 = new Benz;Car* car2 = new BMW;car1->Drive();car2->Drive();return 0;
}

3_2，接口继承和实现继承

普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，可以使用函数，继承的是函数的实现。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，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

4，多态原理

4_1，虚函数表

// 这里常考一道笔试题：sizeof(Base)是多少？
class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}
private:int _b = 1;
};

通过观察测试我们发现b对象是 16 bytes（int 4 字节，指针8字节，对其后是16），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)，我们简称虚表

我们看下列代码

#include <iostream>
using namespace std;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;
}

通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：

1. 派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员，虚表指针也就是存在部分的另一部分是自己的成员。

2. 基类b对象和派生类d对象虚表是不一样的，这里我们发现Func1完成了重写，所以d的虚表中存的是重写的Derive::Func1，所以虚函数的重写也叫作覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。

3. 另外Func2继承下来后是虚函数，所以放进了虚表，Func3也继承下来了，但是不是虚函数，所以不会放进虚表。

4. 虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况这个数组最后面放了一个nullptr。

5. 总结一下派生类的虚表生成：

a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中

b.如果派生类重写了基类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数

c.派生类自己新增加的虚函数按其在派生类中的声明次序增加到派生类虚表的最后(VS2022，它调试的时候不会显示，但通过手动监视，是可以看见的)。

4_2，多态的原理

上面分析了这个半天了那么多态的原理到底是什么？还记得这里Func函数传Person调用的 Person::BuyTicket，传Student调用的是Student::BuyTicket

子类的指针或者引用向上切片赋值给父类的指针或者引用，包括虚表也是直接切过去，虽然都是父类的指针或者引用，但是他们的虚表是不一样的。

在调用虚函数时，会根据虚表里面的虚函数指针来调用，如果父类的指针/引用实际指向为父类，就会按照父类的虚表里的虚函数指针去调用虚函数；如果父类的指针/引用实际指向为子类，就会按照子类的虚表里的虚函数指针去调用虚函数。

那么多态的原理就很清楚了，子类的指针/引用向上切片赋值给父类，会把虚表也切过去，虚函数的调用是根据虚表里面的虚函数指针，同样是父类的指针/引用，但他们的虚表是不一样的，这个时候去调用虚函数就会产生多态的现象

4_3，动态绑定与静态绑定

1. 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，也称为静态多态，比如：函数重载

2. 动态绑定又称后期绑定(晚绑定)，是在程序运行期间，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。

咱们的多态就到结束啦，咱们下期再见

革命尚未成功，同志仍需努力

C++篇——多态

目录引言 1，什么是多态 2. 多态的定义及实现 2_1，多态的构成条件 2_2，虚函数 2_3，虚函数的重写 2_4，虚函数重写的两个例外 2_4_1，协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同) 2_4_2. 析构函数的重写(基类…...

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