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C++中实现多态有几种方式

news 来源：原创 2025/5/16 11:48:03

一）虚函数（Virtual Functions）实现多态
概念：
虚函数是在基类中使用关键字virtual声明的成员函数。当一个类包含虚函数时，编译器会为该类创建一个虚函数表（v - table），这个表存储了虚函数的地址。当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会根据对象的实际类型（即指针或引用所指向或引用的实际子类对象）来查找虚函数表，从而调用子类中重写后的虚函数，实现多态行为。
代码示例：

class Shape 
{
public:virtual void draw() = 0; 
};
class Circle : public Shape 
{
public:void draw() override {std::cout << "Drawing a circle." << std::endl;}
};
class Rectangle : public Shape 
{
public:void draw() override {std::cout << "Drawing a rectangle." << std::endl;}
};

在这个例子中，Shape是一个抽象基类，draw是一个纯虚函数。Circle和Rectangle是Shape的子类，它们重写了draw函数。当使用
Shape* shapePtr;
shapePtr = new Circle();
shapePtr->draw();
或者
Shape circleObj;
Shape& shapeRef = circleObj;
shapeRef.draw();
（circleObj是Circle类的对象）这样的方式调用draw函数时，会根据对象是Circle还是Rectangle来动态地调用相应子类的draw函数，实现多态。
二）函数指针实现多态（较少使用，但在某些特定场景下有效）
概念：
可以通过定义函数指针，让函数指针指向不同的函数实现来达到类似多态的效果。函数指针可以根据具体的情况（如运行时的条件）来改变它所指向的函数，从而实现不同的行为。不过这种方式与虚函数相比，没有自动的动态绑定机制，需要手动管理函数指针的指向。
代码示例：

// 定义函数指针类型，该函数接受无参数，返回void
typedef void (*DrawFunction)();
class Shape 
{
public:DrawFunction drawFunction;Shape(DrawFunction df) : drawFunction(df) {}void draw() {drawFunction();}
};
void drawCircle() 
{std::cout << "Drawing a circle using function pointer." << std::endl;
}
void drawRectangle() 
{std::cout << "Drawing a rectangle using function pointer." << std::endl;
}
int main() 
{Shape circleShape(drawCircle);Shape rectangleShape(drawRectangle);circleShape.draw();rectangleShape.draw();return 0;
}

在这个例子中，Shape类中有一个DrawFunction类型的函数指针drawFunction。在构造函数中，可以传入不同的函数来初始化这个函数指针。当调用draw方法时，就会执行函数指针所指向的函数。通过这种方式，可以实现根据不同的对象（这里通过不同的构造方式）来执行不同的绘制函数，达到类似多态的效果。不过这种方式需要手动设置函数指针，而且对于继承体系的支持不如虚函数方便。
代码示例：

#include <iostream>
// 定义函数指针类型，该函数接受两个整数参数并返回一个整数
typedef int (*MathOperation)(int, int);
int add(int a, int b) 
{return a + b;
}
int subtract(int a, int b) 
{return a - b;
}
int main()
{MathOperation operation;operation = add;int result1 = operation(5, 3);operation = subtract;int result2 = operation(5, 3);std::cout << "加法结果: " << result1 << std::endl;std::cout << "减法结果: " << result2 << std::endl;return 0;
}

在这个例子中，MathOperation是一个函数指针类型。通过将operation函数指针先后指向add函数和subtract函数，实现了根据需要调用不同函数的效果，从而在一定程度上实现了多态。
三）模板（Templates）实现编译时多态（也称为参数化多态）
概念：
模板是 C++ 中的泛型编程机制。虽然它不是真正的多态（因为它是在编译时确定具体的函数或类的版本，而不是运行时），但在某些情况下可以实现类似多态的代码复用和灵活性。通过模板，可以编写通用的代码，这些代码可以根据不同的类型参数生成不同的具体实现，从而适应多种数据类型或类类型的需求。
代码示例（函数模板）：

template<typename T>
void draw(T& shape) 
{shape.draw();
}
class Circle 
{
public:void draw() {std::cout << "Drawing a circle using template." << std::endl;}
};
class Rectangle 
{
public:void draw() {std::cout << "Drawing a rectangle using template." << std::endl;}
};
int main() 
{Circle circle;Rectangle rectangle;draw(circle);draw(rectangle);return 0;
}

在这个例子中，draw是一个函数模板，它可以接受不同类型的参数（只要这个类型有draw方法）。当传入Circle或Rectangle对象时，会在编译时根据对象的类型生成对应的draw函数调用，实现了对不同类型对象的通用处理，有点类似于多态的效果，但这种方式是基于编译时的类型推导，而不是像虚函数那样的运行时多态。
四）抽象基类与纯虚函数结合实现多态（与虚函数方式紧密相关）
概念：
抽象基类是包含纯虚函数的类，不能被实例化。纯虚函数是在基类中声明但没有定义的虚函数，它强制子类必须重写这个函数。通过这种方式，可以定义一个通用的接口，子类必须实现这个接口，从而实现多态。当通过基类指针或引用调用这些纯虚函数时，会根据子类的实际实现来调用相应的函数。
代码示例（与前面虚函数示例结合）：
class Shape
{
public:
virtual void draw() = 0;
};
这里Shape是抽象基类，draw是纯虚函数。子类必须重写draw函数才能实例化，这样就确保了在通过Shape基类指针或引用调用draw函数时，能够根据具体子类的实现来获得不同的绘制行为，实现多态。这种方式明确了接口规范，并且和虚函数的动态绑定机制一起，是 C++ 实现多态的重要方式之一。
五）函数重载（Function Overloading）实现有限的多态性
概念：
函数重载是指在同一个作用域内，可以有多个同名函数，它们的参数列表（参数个数、类型、顺序）不同。当调用一个重载函数时，编译器会根据传入的实际参数来确定调用哪一个具体的函数版本。这种方式在一定程度上实现了多态性，因为相同的函数名可以根据不同的参数类型执行不同的操作。
代码示例：

#include <iostream>
class Calculator 
{
public:int add(int a, int b){return a + b;}double add(double a, double b) {return a + b;}
};
int main() 
{Calculator calculator;int intResult = calculator.add(3, 5);double doubleResult = calculator.add(3.5, 2.5);std::cout << "整数相加结果: " << intResult << std::endl;std::cout << "浮点数相加结果: " << doubleResult << std::endl;return 0;
}

在这个例子中，Calculator类中有两个add函数，一个用于整数相加，一个用于浮点数相加。编译器会根据传入add函数的参数类型来决定调用哪个版本，这就像一种简单的多态，根据参数类型的不同选择不同的操作方式。不过，函数重载是在编译时确定调用的函数版本，而不是像虚函数那样在运行时动态绑定。
六）函数对象（仿函数，Functors）：
原理：函数对象是一个类，它重载了函数调用运算符operator()。这样，这个类的对象就可以像函数一样被调用。例如：

class AddFunctor 
{
public:int operator()(int a, int b) const {return a + b;}
};
class SubtractFunctor 
{
public:int operator()(int a, int b) const {return a - b;}
};
int main() 
{AddFunctor addObj;SubtractFunctor subtractObj;int result1 = addObj(3, 2);int result2 = subtractObj(3, 2);return 0;
}

应用场景：在 STL 算法中广泛使用。例如，std::sort函数可以接受一个比较函数对象来确定排序的顺序。不同的比较函数对象可以实现不同的排序规则（如升序、降序），通过这种方式实现了基于不同规则的排序多态性。同时，函数对象可以携带状态（通过类的成员变量），这是函数指针所不具备的优势，在一些需要记录中间状态的场景中非常有用。

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