C++——多态

目录

前言

1. 多态的概念

2. 多态的定义及其实现

2.1 多态的构成条件

2.1.1 实现多态的两个重要条件

2.1.2 虚函数

2.1.3 虚函数的重写/覆盖 

2.1.4 多态场景的⼀个选择题

2.1.5 虚函数重写的⼀些其他问题

2.1.5.1 协变（了解）

2.1.5.2 析构函数的重写

2.1.6 override和final关键字 

2.1.7 重载/重写/隐藏的对比

3. 纯虚函数和抽象类

4. 多态的原理

4.1 虚函数表指针

4.2 多态的实现原理

4.3 动态绑定与静态绑定

4.4 虚函数表

5. 总结

前言

前面我们介绍了继承的相关内容，今天我们来介绍多态，这也是C++中一个非常重要的概念。在笔试和面试中经常会考到，所以大家如果对C++感兴趣，请继续阅读本篇内容，下面进入正文部分。

1. 多态的概念

多态(polymorphism)的概念：通俗来说，就是多种形态。

多态分为编译时多态(静态多态)和运行时多态(动态多态)，这⾥我们重点讲运行时多态，编译时多态(静态多态)主要就是我们前⾯讲的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，是因为他们实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的，我们把编译时⼀般归为静态，运⾏时归为动态。 运行时多态，具体点就是去完成某个行为(函数)，可以传不同的对象就会完成不同的行为，就达到多种形态。

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，是优惠买票(5折或75折)；军⼈买票时是优先买票。再比如，同样是动物叫的⼀个行为(函数)，传猫对象过去，就是”喵“，传狗对象过去，就是"汪汪"。

2. 多态的定义及其实现

2.1 多态的构成条件

多态是⼀个继承关系的下的类对象，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对象优惠买票。

2.1.1 实现多态的两个重要条件

第⼀必须是基类的指针或引用，因为只有基类的指针或引用才能既指向基类对象又指向派生类对象；

第⼆派⽣类必须对基类的虚函数完成重写/覆盖，重写或者覆盖了，基类和派生类之间才能有不同的函数，多态的不同形态效果才能达到。

2.1.2 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 Person 
{
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;}
};

2.1.3 虚函数的重写/覆盖 

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)，称派⽣类的虚函数重写了基类的虚函数。

#include<iostream>
using namespace std;
class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
};
void Func(Person* ptr)
{// 这里可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket // 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。 ptr->BuyTicket();
}
int main()
{Person ps;Student st;Func(&ps);Func(&st);return 0;
}#include<iostream>
using namespace std;
class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
};
void Func(Person& ptr)
{// 这里可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket // 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。 ptr.BuyTicket();
}
int main()
{Person ps;Student st;Func(ps);Func(st);return 0;
}

买票-全价
买票-打折

C:\code\test_c\test_2025_1_4\x64\Debug\test_2025_1_4.exe (进程 11008)已退出，代码为 0 (0x0)。
按任意键关闭此窗口. . .

这里大家会发现输出的对象是根据ptr指向的对象决定的，如果按照我们以前的思想，这里要调用两次Person中的函数；但是这里就是多态的特性，大家需要转变一下思维模式。

大家再来看下面代码，稍微改一下；

#include<iostream>
using namespace std;
class Person {
public:void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
};
void Func(Person* ptr)
{// 这里可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket // 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。 ptr->BuyTicket();
}
int main()
{Person ps;Student st;Func(&ps);Func(&st);return 0;
}

我将基类中的virtual去掉了，代码的结果将会发生改变；

买票-全价
买票-全价

C:\code\test_c\test_2025_1_4\x64\Debug\test_2025_1_4.exe (进程 13476)已退出，代码为 0 (0x0)。
按任意键关闭此窗口. . .

大家发现结果变化了，只调用了Person中的函数，这里去掉vurtual就破坏了多态的要求，因此也就无法构成多态。

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，不过在考试选择题中，经常会故意出这个坑，让你判断是否构成多态。其实这里是构成多态的，大家可以这样来思考，子类继承父类，将virtual的属性也继承了下来。

class Animal
{
public:virtual void talk() const{}
};
class Dog : public Animal
{
public:virtual void talk() const{cout << "汪汪" << endl;}
};
class Cat : public Animal
{
public:virtual void talk() const{cout << "(>^ω^<)喵" << endl;}
};
void letsHear(const Animal& animal)
{animal.talk();
}
int main()
{Cat cat;Dog dog;letsHear(cat);letsHear(dog);return 0;
}

(>^ω^<)喵
汪汪

C:\code\test_c\test_2025_1_4\x64\Debug\test_2025_1_4.exe (进程 3264)已退出，代码为 0 (0x0)。
按任意键关闭此窗口. . .

2.1.4 多态场景的⼀个选择题

class A
{
public:virtual void func(int val = 1) { std::cout << "A->" << val << std::endl; }virtual void test() { func(); }
};class B : public A
{
public:void func(int val = 0) { std::cout << "B->" << val << std::endl; }
};int main(int argc, char* argv[])
{B* p = new B;p->test();return 0;
}

本题首先上来要确定一个点，那就是调A中的test函数时，这里面的this指针的类型到底是A*还是B*呢？相信大家有不同的看法，但是这里答案是A*，因为B虽然是继承A，但是它并没有出现test函数，如果B有test函数，那么就会调B的，这样构成隐藏，继承并不会真的将A中的所有成员函数都弄到B中； 

经过上面的分析，我们可以发现这里就构成多态了，那么此时指针指向B，那么就调用B中的func函数（this->func()），那么打印结果很多人这时就知道了，为“B->0”。

那么答案是D吗？咱们可以来验证一下；

B->1

C:\code\test_c\test_2025_1_4\x64\Debug\test_2025_1_4.exe (进程 13644)已退出，代码为 0 (0x0)。
按任意键关闭此窗口. . .
 

大家可以看到，运行结果是B选项；此时相信很多人都被坑到了，这到底是为什么呢？其实这涉及一个知识的理解，就是对于“重写” 的理解，大家需要知道，重写是重写函数的实现部分，也就是函数体，所以这里B中的func函数其实重写的函数体的内容，而val值其实还是A中的。所以本题的结果是“B->1”。

2.1.5 虚函数重写的⼀些其他问题

2.1.5.1 协变（了解）

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。协变的实际意义并不⼤，所以我们 了解⼀下即可。

class A {};
class B : public A {};
class Person {
public:virtual A* BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl;return nullptr;}
};
class Student : public Person {
public:virtual B* BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl;return nullptr;}
};
void Func(Person* ptr)
{ptr->BuyTicket();
}
int main()
{Person ps;Student st;Func(&ps);Func(&st);return 0;
}

2.1.5.2 析构函数的重写

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成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。

下⾯的代码我们可以看到，如果~A()，不加virtual，那么deletep2时只调调的A的析构函数，没有调用B的析构函数，就会导致内存泄漏问题，因为~B()中在释放资源。

注意：这个问题⾯试中经常考察，⼤家⼀定要结合类似下⾯的样例才能讲清楚，为什么基类中的析构函数建议设计为虚函数。

class A
{
public:virtual ~A(){cout << "~A()" << endl;}
};
class B : public A {
public:~B(){ cout << "~B()->delete:"<<_p<< endl;delete _p;}
protected:int* _p = new int[10];
};
// 只有派⽣类B的析构函数重写了A的析构函数，下⾯的delete对象调⽤析构函数，才能
构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确的调⽤析构函数。 
int main()
{A* p1 = new A;A* p2 = new B;delete p1;delete p2;return 0;
}

2.1.6 override和final关键字 

从上面可以看出，C++对虚函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，⽐如函数名写错参数写错等导致⽆法构成重写，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，可以帮助用户检测是否重写。如果我们不想让派生类重写这个虚函数，那么可以用final去修饰。

class Car {
public:virtual void Dirve(){}
};
class Benz :public Car {
public:virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{return 0;
}

error C3668: “Benz::Drive”: 包含重写说明符“override”的方法没有重写任何基类方法。

class Car
{
public:virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};
int main()
{return 0;
}

error C3248: "Car::Drive": 声明为 "final" 的函数不能由 "Benz::Drive" 重写。

2.1.7 重载/重写/隐藏的对比

3. 纯虚函数和抽象类

在虚函数的后⾯写上=0，则这个函数为纯虚函数，纯虚函数不需要定义实现(实现没啥意义因为要被派生类重写，但是语法上可以实现)，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。纯虚函数某种程度上强制了 派⽣类重写虚函数，因为不重写实例化不出对象。

#include<iostream>
using namespace std;
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()
{// 编译报错：error C2259: “Car”: ⽆法实例化抽象类 //Car car;Car* pBenz = new Benz;pBenz->Drive();Car* pBMW = new BMW;pBMW->Drive();return 0;
}

Benz-舒适
BMW-操控

C:\code\test_c\test_2025_1_5\x64\Debug\test_2025_1_5.exe (进程 6280)已退出，代码为 0 (0x0)。
按任意键关闭此窗口. . .

4. 多态的原理

4.1 虚函数表指针

关于多态的原理，这里由一道题来引入；

下⾯编译为32位程序的运行结果是什么（） 

A.编译报错 

B.运行报错

C.8 

D.12

class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}
protected:int _b = 1;char _ch = 'x';
};
int main()
{Base b;cout << sizeof(b) << endl;return 0;
}

本题让我们来求这个类对象的大小，那么我们知道成员函数不是存在类里面的，打眼一看就两个成员变量，那么就8字节呗。

实际上问题并没有这么简单，大家先来看一下运行结果；

12

C:\code\test_c\test_2025_1_5\Debug\test_2025_1_5.exe (进程 13112)已退出，代码为 0 (0x0)。
按任意键关闭此窗口. . .

大家可以看到，上面是在X86环境下的运行结果，为12字节。那么为什么多出来4个字节呢？

其实除了_b和_ch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)。⼀个含有虚函数的类中都至少都有⼀个虚函数表指针，因为⼀个类所有虚函数的地址要被放到这个类对象的虚函数表中，虚函数表也简称虚表，本质上它是一个函数指针数组。

class Base
{
public:virtual void Func1(){cout << "Func1()" << endl;}virtual void Func2(){cout << "Func2()" << endl;}void Func3(){cout << "Func3()" << endl;}
protected:int _b = 1;char _ch = 'x';
};
int main()
{Base b;cout << sizeof(b) << endl;return 0;
}

这里我多加了几个函数，大家在监视窗口可以发现，b中存了两个函数指针，而Func3没有存，因为前面没有加virtual。

4.2 多态的实现原理

class Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
private:string _name;
};
class Student : public Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
private:string _id;
};
class Soldier : public Person {
public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-优先" << endl; }
private:string _codename;
};
void Func(Person* ptr)
{// 这⾥可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket // 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。 ptr->BuyTicket();
}
int main()
{// 其次多态不仅仅发⽣在派⽣类对象之间，多个派⽣类继承基类，重写虚函数后 // 多态也会发⽣在多个派⽣类之间。 Person ps;Student st;Soldier sr;Func(&ps);Func(&st);Func(&sr);return 0;
}

买票-全价
买票-打折
买票-优先

C:\code\test_c\test_2025_1_5\Debug\test_2025_1_5.exe (进程 4248)已退出，代码为 0 (0x0)。
按任意键关闭此窗口. . .
 

关于多态的原理，大家可以结合上面的图来进行理解，其实就一句话：指向谁调用谁，指向哪个对象，运行时，就到哪个对象的虚函数表中去找对应虚函数的地址，然后调用对应函数。 

4.3 动态绑定与静态绑定

• 对不满⾜多态条件(指针或者引⽤+调⽤虚函数)的函数调⽤是在编译时绑定，也就是编译时确定调⽤ 函数的地址，叫做静态绑定。

• 满足多态条件的函数调用是在运行时绑定，也就是在运⾏时到指向对象的虚函数表中找到调⽤函数 的地址，也就做动态绑定。

 // ptr是指针+BuyTicket是虚函数满⾜多态条件。 // 这⾥就是动态绑定，编译在运⾏时到ptr指向对象的虚函数表中确定调⽤函数地址 ptr->BuyTicket();
00EF2001 mov eax,dword ptr [ptr] 
00EF2004 mov edx,dword ptr [eax] 
00EF2006 mov esi,esp 
00EF2008 mov ecx,dword ptr [ptr] 
00EF200B mov eax,dword ptr [edx] 
00EF200D call eax// BuyTicket不是虚函数，不满⾜多态条件。 // 这⾥就是静态绑定，编译器直接确定调⽤函数地址 ptr->BuyTicket();
00EA2C91 mov ecx,dword ptr [ptr] 
00EA2C94 call Student::Student (0EA153Ch)

4.4 虚函数表

• 基类对象的虚函数表中存放基类所有虚函数的地址。同类型的对象共用同⼀张虚表，不同类型的象各自有独立的虚表，所以基类和派生类有各自独立的虚表。

• 派⽣类由两部分构成，继承下来的基类和自己的成员，⼀般情况下，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。但是要注意的这⾥继承下来的基类部分虚函数表指针和基类对象的虚函数表指针不是同⼀个，就像基类对象的成员和派⽣类对象中的基类对象成员也独立的。

• 派⽣类中重写的基类的虚函数，派⽣类的虚函数表中对应的虚函数就会被覆盖成派⽣类重写的虚函 数地址。

• 派⽣类的虚函数表中包含：(1)基类的虚函数地址，(2)派⽣类重写的虚函数地址完成覆盖，派⽣类 ⾃⼰的虚函数地址三个部分。

• 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0x00000000 

标记。(这个C++并没有进行规定，各个编译器自行定义的，vs系列编译器会再后⾯放个0x00000000 标记，g++系列编译不会放) 

• 虚函数存在哪的？虚函数和普通函数⼀样的，编译好后是⼀段指令，都是存在代码段的，只是虚函数的地址又存到了虚表中。

• 虚函数表存在哪的？这个问题严格说并没有标准答案C++标准并没有规定，我们写下⾯的代码可以对比验证⼀下。vs下是存在代码段(常量区)。

5. 总结

本篇博客为大家介绍了C++中多态的内容，主要包括多态的语法、使用规则以及多态的原理；对于多态的原理，大家需要认真去理解，这也是C++（面向对象的语言）的特性，最后，希望本篇博客可以为大家带来帮助，感谢阅读！