什么是多態(tài)？

多態(tài)（Polymorphism）是面向?qū)ο缶幊痰娜蠛诵奶匦灾唬ǚ庋b、繼承、多態(tài)），源于希臘語"多種形態(tài)"。在C++中，它允許我們使用統(tǒng)一的接口處理不同類型的對(duì)象，顯著提高了代碼的靈活性和可擴(kuò)展性。

核心概念

1. 同一接口，多種形態(tài)
   不同的對(duì)象可以通過相同的方法名調(diào)用，但實(shí)際執(zhí)行的邏輯由對(duì)象自身的類決定。
2. 解耦調(diào)用與實(shí)現(xiàn)
   調(diào)用者只需關(guān)注接口（方法名和參數(shù)），無需關(guān)心具體實(shí)現(xiàn)，提高代碼的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

多態(tài)的定義及實(shí)現(xiàn)

多態(tài)的構(gòu)成條件

多態(tài)是?個(gè)繼承關(guān)系的下的類對(duì)象，去調(diào)?同?函數(shù)，產(chǎn)?了不同的?為。
實(shí)現(xiàn)多態(tài)還有兩個(gè)必須重要條件：

1. 必須是基類的指針或者引?調(diào)?虛函數(shù)

2. 被調(diào)?的函數(shù)必須是虛函數(shù)，并且完成了虛函數(shù)重寫/覆蓋。說明：要實(shí)現(xiàn)多態(tài)效果，第?必須是基類的指針或引?，因?yàn)橹挥谢惖闹羔樆蛞?才能既指向基類 對(duì)象?指向派?類對(duì)象；第?派?類必須對(duì)基類的虛函數(shù)完成重寫/覆蓋，重寫或者覆蓋了，基類和派 ?類之間才能有不同的函數(shù)，多態(tài)的不同形態(tài)效果才能達(dá)到。

虛函數(shù)

類成員函數(shù)前?加virtual修飾，那么這個(gè)成員函數(shù)被稱為虛函數(shù)。注意?成員函數(shù)不能加virtual修飾。

class A
{

public:
 virtual void() {}
};

虛函數(shù)的重寫/覆蓋

虛函數(shù)的重寫/覆蓋：派?類中有?個(gè)跟基類完全相同的虛函數(shù)(即派?類虛函數(shù)與基類虛函數(shù)的返回值類型、函數(shù)名字、參數(shù)列表完全相同)，稱派?類的虛函數(shù)重寫了基類的虛函數(shù)。

注意：在重寫基類虛函數(shù)時(shí)，派?類的虛函數(shù)在不加virtual關(guān)鍵字時(shí)，也可以構(gòu)成重寫(因?yàn)槔^承后基類的虛函數(shù)被繼承下來了在派?類依舊保持虛函數(shù)屬性)

關(guān)鍵技術(shù)原理

1. 虛函數(shù)表（vtable）

   • 每個(gè)包含虛函數(shù)的類自動(dòng)生成虛函數(shù)表
   • 存儲(chǔ)該類所有虛函數(shù)的地址
   • 創(chuàng)建對(duì)象時(shí)隱式添加vptr指針指向vtable

2. 動(dòng)態(tài)綁定過程

   

最佳實(shí)踐指南

1. 使用override關(guān)鍵字明確重寫意圖

2. 基類析構(gòu)函數(shù)必須聲明為virtual

3. 接口類使用純虛函數(shù)

4. 性能考量：虛函數(shù)調(diào)用比普通函數(shù)多一次指針解引用

虛函數(shù)重寫

協(xié)變

派?類重寫基類虛函數(shù)時(shí)，與基類虛函數(shù)返回值類型不同。即基類虛函數(shù)返回基類對(duì)象的指針或者引?，派?類虛函數(shù)返回派?類對(duì)象的指針或者引?時(shí)，稱為協(xié)變。核心概念

1. 基類虛函數(shù)返回基類類型指針 / 引用。
2. 派生類重寫函數(shù)返回派生類類型指針 / 引用。
3. 編譯器會(huì)自動(dòng)處理類型轉(zhuǎn)換，確保調(diào)用的一致性。

協(xié)變的條件

1. 基類函數(shù)必須為虛函數(shù)。
2. 返回類型必須是指針或引用（不能是值類型）。
3. 派生類返回類型必須是基類返回類型的公有派生類。
4. 函數(shù)簽名的其他部分（參數(shù)、常量性）必須完全相同。

析構(gòu)函數(shù)的重寫

基類的析構(gòu)函數(shù)為虛函數(shù)，此時(shí)派?類析構(gòu)函數(shù)只要定義，?論是否加virtual關(guān)鍵字，都與基類的析構(gòu)函數(shù)構(gòu)成重寫，雖然基類與派?類析構(gòu)函數(shù)名字不同看起來不符合重寫的規(guī)則，實(shí)際上編譯器對(duì)析構(gòu)函數(shù)的名稱做了特殊處理，編譯后析構(gòu)函數(shù)的名稱統(tǒng)?處理成destructor，所以基類的析構(gòu)函數(shù)加了vialtual修飾，派?類的析構(gòu)函數(shù)就構(gòu)成重寫。

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];
};

int main()
{
 A* p1 = new A;
 A* p2 = new B;
 delete p1;
 delete p2;
 return 0;
}

如果~A()，不加virtual，那么delete p2時(shí)只調(diào)?的A的析構(gòu)函數(shù)，沒有調(diào)?B的析構(gòu)函數(shù)，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏問題，因?yàn)?~B()中在釋放資源。

只有派?類Student的析構(gòu)函數(shù)重寫了Person的析構(gòu)函數(shù)，下?的delete對(duì)象調(diào)?析構(gòu)函數(shù)，才能構(gòu)成多態(tài)，才能保證p1和p2指向的對(duì)象正確的調(diào)?析構(gòu)函數(shù)。

override和final關(guān)鍵字

1. override 關(guān)鍵字
   作用
   明確標(biāo)記一個(gè)函數(shù)是重寫基類的虛函數(shù)，編譯器會(huì)檢查以下條件：
   基類中是否存在同名虛函數(shù)。
   基類和派生類的函數(shù)簽名（參數(shù)、常量性、引用限定符）是否嚴(yán)格一致。
   返回類型是否符合協(xié)變規(guī)則（如果適用）。
2. final 關(guān)鍵字
   作用
   final 有兩種用法：
   修飾虛函數(shù)：禁止派生類重寫該虛函數(shù)。
   修飾類：禁止該類被繼承。

純虛函數(shù)和抽象類

在虛函數(shù)的后?寫上=0，則這個(gè)函數(shù)為純虛函數(shù)，純虛函數(shù)不需要定義實(shí)現(xiàn)(實(shí)現(xiàn)沒啥意義因?yàn)橐慌?類重寫，但是語法上可以實(shí)現(xiàn))，只要聲明即可。包含純虛函數(shù)的類叫做抽象類，抽象類不能實(shí)例化出對(duì)象，如果派?類繼承后不重寫純虛函數(shù)，那么派?類也是抽象類。純虛函數(shù)某種程度上強(qiáng)制了派?類重寫虛函數(shù)，因?yàn)椴恢貙憣?shí)例化不出對(duì)象

• 純虛函數(shù)：在基類中聲明為virtual，并且沒有實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，形式為virtual void func() = 0;。
• 抽象類：包含純虛函數(shù)的類稱為抽象類，不能實(shí)例化對(duì)象，只能作為基類被派生。
• 示例：

  class Shape {
  public:
      virtual void draw() = 0; // 純虛函數(shù)
  };
  
  class Circle : public Shape {
  public:
      void draw() override {
          cout << "Drawing Circle" << endl;
      }
  };
  

  • Shape是一個(gè)抽象類，Circle是派生類，重寫了draw()函數(shù)。
  • 多態(tài)的使用：

    Shape* shape = new Circle();
    shape->draw(); // 輸出：Drawing Circle
    

多態(tài)的原理

多態(tài)是如何實(shí)現(xiàn)的

在C++中，多態(tài)主要通過虛函數(shù)（virtual functions）和繼承機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。以下是多態(tài)實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)過程和原理：

1. 虛函數(shù)表（vtable）

• 概念：每個(gè)包含虛函數(shù)的類都會(huì)有一個(gè)虛函數(shù)表（vtable），它是一個(gè)存儲(chǔ)虛函數(shù)地址的數(shù)組。當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)類的對(duì)象時(shí)，對(duì)象會(huì)包含一個(gè)指向其類的虛函數(shù)表的指針（vptr）。
• 作用：vtable是實(shí)現(xiàn)多態(tài)的關(guān)鍵。當(dāng)通過基類指針或引用調(diào)用虛函數(shù)時(shí)，程序會(huì)通過vptr找到對(duì)應(yīng)的vtable，然后通過vtable找到實(shí)際的虛函數(shù)地址。

虛函數(shù)表知識(shí)要點(diǎn)

1. 基類對(duì)象的虛函數(shù)表中存放基類所有虛函數(shù)的地址。同類型的對(duì)象共?同?張?zhí)摫?，不同類型的?duì)象各?有獨(dú)?的虛表，所以基類和派?類有各?獨(dú)?的虛表。
2. 派?類由兩部分構(gòu)成，繼承下來的基類和??的成員，?般情況下，繼承下來的基類中有虛函數(shù)表指針，??就不會(huì)再?成虛函數(shù)表指針。但是要注意的這?繼承下來的基類部分虛函數(shù)表指針和基類對(duì)象的虛函數(shù)表指針不是同?個(gè)，就像基類對(duì)象的成員和派?對(duì)象中的基類對(duì)象成員也獨(dú)?的。
3. 派?類中重寫的基類的虛函數(shù)，派?類的虛函數(shù)表中對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)就會(huì)被覆蓋成派?類重寫的虛函數(shù)地址。
4. 派?類的虛函數(shù)表中包含，(1)基類的虛函數(shù)地址，(2)派?類重寫的虛函數(shù)地址完成覆蓋，派?類??的虛函數(shù)地址三個(gè)部分。
5. 虛函數(shù)表本質(zhì)是?個(gè)存虛函數(shù)指針的指針數(shù)組，?般情況這個(gè)數(shù)組最后?放了?個(gè)0x00000000標(biāo)記。（此條取決于編譯器）
6. 虛函數(shù)存儲(chǔ)的位置（vs下為常量區(qū)）
   可以自行驗(yàn)證：

class Base {

public:
 virtual void func1() {}

protected:
 int a = 1;
};

class Derive : public Base
{
public:
 virtual void func1() {}
protected:
 int b = 2;
};

int main()
{
 int i = 0;
 static int j = 1;
 int* p1 = new int;
 const char* p2 = "xxxxxxxx";
 printf("棧:%p\n", &i);
 printf("靜態(tài)區(qū):%p\n", &j);
 printf("堆:%p\n", p1);
 printf("常量區(qū):%p\n", p2);
 Base b;
 Base* p3 = &b;
 printf("虛表地址:%p\n", *(int*)p3);
 return 0;
}
//通過比較虛表地址，找到其最近的內(nèi)存片段來確定

2. 虛函數(shù)的聲明

• 在類中使用virtual關(guān)鍵字聲明函數(shù)為虛函數(shù)。
  Base為基類，Derived為繼承類。

  class Base {
  public:
      virtual void show() {
          cout << "Base show()" << endl;
      }
  };
  
  class Derived : public Base {
  public:
      void show() override { // override表示重寫基類的虛函數(shù)
          cout << "Derived show()" << endl;
      }
  };
  

  • Base類的show()函數(shù)被聲明為虛函數(shù)，Derived類重寫了這個(gè)虛函數(shù)。

3. 多態(tài)的實(shí)現(xiàn)過程

• 創(chuàng)建對(duì)象：

  Derived d;
  

  • 當(dāng)創(chuàng)建Derived類的對(duì)象d時(shí)，對(duì)象中會(huì)包含一個(gè)vptr，指向Derived類的vtable。
  • Derived類的vtable中存儲(chǔ)了Derived類重寫的虛函數(shù)show()的地址。
• 通過基類指針或引用調(diào)用虛函數(shù)：

  Base* ptr = &d;
  ptr->show();
  

  • ptr是一個(gè)指向Base類的指針，但它指向的是Derived類的對(duì)象。
  • 當(dāng)調(diào)用ptr->show()時(shí)，程序會(huì)通過ptr找到對(duì)象的vptr，然后通過vptr找到Derived類的vtable，最終調(diào)用Derived類的show()函數(shù)。
  • 這就是多態(tài)的運(yùn)行時(shí)綁定（動(dòng)態(tài)綁定）過程。

動(dòng)態(tài)綁定與靜態(tài)綁定

• 對(duì)不滿?多態(tài)條件(指針或者引?+調(diào)?虛函數(shù))的函數(shù)調(diào)?是在編譯時(shí)綁定，也就是編譯時(shí)確定調(diào)?函數(shù)的地址，叫做靜態(tài)綁定。

• 滿?多態(tài)條件的函數(shù)調(diào)?是在運(yùn)?時(shí)綁定，也就是在運(yùn)?時(shí)到指向?qū)ο蟮奶摵瘮?shù)表中找到調(diào)?函數(shù)的地址，也就做動(dòng)態(tài)綁定。

總結(jié)

到此這篇關(guān)于C++三大核心特性之多態(tài)詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++多態(tài)詳解內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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