C++中的多态

原创于 2025-12-20 05:09:54 发布 · 685 阅读

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一、多态的概念

1. 概念

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，当不同对象去完成时会产生出不同的状态。

例如：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。

二、多态的定义及实现

1. 多态的构成条件

多态是在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。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：

必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对基类的虚函数进行重写

2. 虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。
class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};

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，简称三同），称子类的虚函数重写了基类的虚函数。
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};

class Student : public Person {
public:
	//虚函数重写：派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名、参数列表完全相同，即三同
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
	/*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*/
	/*void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }*/
};

//在继承中构成多态的两个条件：
//1、必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
//2、被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对虚函数进行重写

//多态，不同对象传递传递过去，调用不同的函数
//多态调用看的指向的对象（指向父类调父类，指向子类调子类）
//普通对象，看当前类型
void Func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}

int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	Func(ps);
	Func(st);
	return 0;
}
派生类的重写虚函数可以不加virtual关键字：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。
多态对象调用 VS 普通对象调用：
多态调用看的指向的对象，即指向父类调父类，指向子类调子类
普通对象，看当前类型

4. 虚函数重写的两个例外

虚函数重写的条件本来是虚函数+三同，但又有两个例外：

协变：派生类和基类的返回类型可以不同，但是要求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（注：不能一个是指针一个是引用，必须同时为指针或引用）
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; }
};
派生类的重写虚函数可以不加virtual —— 建议大家都加上
class Person {
public:
	virtual ~Person() { cout << "~Person()" << endl; }
};

class Student : public Person {
public:
	virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};

//析构函数加virtual，是不是虚函数重写？
//是，因为类析构函数都被处理成destructor这个统一的名字
//为什么要这么处理呢？因为要让他们构成重写
//为什么要让他们构成重写呢？
//我们知道多态调用看指向的对象，普通对象调用看当前的类型。
//特殊场景：当父类指针指向派生类对象的时候，我们释放这个父类指针的时候，
//希望p->destructor()是一个多态调用，而不是普通调用,即正常调用析构，避免内存泄漏

int main()
{
	Person* p1 = new Person;
	delete p1;

	//多态调用才能避免内存泄漏
	Person* p2 = new Student;
	delete p2;//p2->destructor() + operator delete(p)
	return 0;
}
析构函数加virtual，是不是虚函数重写？是，因为类析构函数都被处理成destructor这个统一的名字
为什么要这么处理呢？因为要让他们构成重写
为什么要让他们构成重写呢？我们知道多态调用看指向的对象，普通对象调用看当前的类型。特殊场景：当父类指针指向派生类对象的时候，我们释放这个父类指针的时候，希望p->destructor()是一个多态调用，而不是普通调用,即正常调用析构，避免内存泄漏。
有继承关系的，建议在基类的析构函数加上virtual

5. 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
class Car
{
public:
	//final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写
	virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
	virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};

int main()
{
	return 0;
}
补充：final修饰类，表示最终类，不能被继承
//如何设计一个不想被继承的类？
//方法1：基类构造函数私有，因为派生类的构造函数必须调用基类的构造函数。
//但方法1又有一个问题基类也创建不了对象，
//方法2：基类的析构函数私有
class A
{
public:
	//问题：要先有对象才能调用成员函数
	//解决方案：静态成员函数
	static A CreateObj()
	{
		return A();
	}
private:
	A()
	{}
};

class B : public A
{};
//方法3：基类加上一个final，就表示是一个最终类，不能被继承
class A final
{
public:
	A()
	{}
};

class B : public A
{};
final关键字有两个作用：一个作用是修饰类，这个类不能被继承，另一个作用是修饰虚函数，这个虚函数不能被重写。

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。
class Car {
public:
	virtual void Drive() {}
};
class Benz :public Car {
public:
	//override: 严格检查派生类虚函数是否重写，如果没有重写编译报错。
	virtual void Drive(int) override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};

6. 重载、重写（覆盖）、隐藏（重定义）的对比

三、抽象类

1. 概念

纯虚函数：在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数。

抽象类：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（这个类在现实世界没有对应的实体），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。

2. 接口继承和实现继承

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。

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，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。

四、多态的原理

1. 虚函数表

我们算一算，下面这个Base的大小是多少？
class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}

	virtual void Func2()
	{
		cout << "Func2()" << endl;
	}

	virtual void Func3()
	{
		cout << "Func3()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
};
通过观察测试我们发现Base的大小是8byte。

我们F10调式起来，通过监视窗口可以看到：Base 除了_b成员，还多一个_vfptr放到对象的前面（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都至少有一个虚函数表指针，因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表。

那么派生类中这个表放了些什么呢？我们接着往下分析：

针对上面的代码我们做出以下改造：

我们增加一个派生类Derive去继承Base
Derive中重写Func1
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;
}
我们F10调试起来，监视两个对象的结构：

通过观察和监视，我们发现：

派生类对象d由两部分组成，一部分是父类继承下来的成员，另一部分是自己的成员。派生类对象也有一个虚表指针，存在于继承下来的父类成员中。
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。
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。
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。
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

这里有一个我们很容易混淆的问题：虚函数存在哪？虚表存在哪？
错误回答： 我们很多同学都认为虚函数存在虚表，虚表存在对象中，但这是一种错误的理解。
正确回答：注意虚表存的是虚函数指针，不是虚函数，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。虚表存在于代码段中的。实验如下：
class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() 
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
};

class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() 
	{
		cout << "买票-半价" << endl; 
	}
};

int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	//实验：虚表存在哪？
	//栈 堆 数据段(静态区) 代码段(常量区)
	//一般存在同一个区域的，地址都会邻近

	int a = 0;
	printf("栈：%p\n", &a);

	static int b = 0;
	printf("静态区：%p\n", &b);

	int* p = new int;
	printf("堆：%p\n", &p);

	const char* str = "hello";
	printf("常量区：%p\n", str);

	printf("基类虚表：%p\n", *((int*)&ps));
	printf("子类虚表：%p\n", *((int*)&st));
	return 0;
}
7. 同类型的对象共用虚表

2. 多态的原理

多态的原理是什么？怎么做到父类指针调用虚函数的时候，指向父类对象，调用父类的虚函数，指向子类对象，调用的就是子类的虚函数？
class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() 
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
};

class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() 
	{
		cout << "买票-半价" << endl; 
	}
};

void Func(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
}

int main()
{
	Person mike;
	Func(mike);

	Student johnson;
	Func(johnson);
	return 0;
}
我们F10调试，监视对象：

观察上图的红色箭头我们看到，p是指向mike对象时，p->BuyTicket在mike的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket。
观察上图的蓝色箭头我们看到，p是指向johnson对象时，p->BuyTicket在johson的虚表中找到虚函数是Student::BuyTicket。
这样就实现出了不同对象去完成同一行为时，展现出不同的形态。
反过来思考我们要达到多态，有两个条件，一个是虚函数覆盖，一个是父类的指针或引用调用虚函数。反思一下为什么？
为什么要虚函数的重写——因为派生类的虚表是先拷贝一份基类的虚表内容，只有派生类重写了，派生类的虚表里面才是派生类的虚函数，不重写还是基类的
为什么不能用子类指针或引用——因为只有父类的指针或引用即可以指向父类也可以指向子类，如果是子类的指针或引用只能指向子类，那就不能实现多种形态呢
为什么不能用父类对象——因为子类赋值给父类对象切片，不会拷贝虚函数表指针。如果拷贝虚函数表指针，那么父类对象虚表中是父类虚函数还是子类就不确定了，就乱套了

再看下图的汇编代码，看出不满足多态的函数调用，在编译时就确定了函数地址。而满足多态的函数调用，不是在编译时确定的，是运行时到指向对象的虚函数表中找调用函数的地址。

3. 动态绑定与静态绑定

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，也称为静态多态，比如：函数重载
动态绑定： 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
总结：
构成多态指向谁就调用谁，即多态调用跟的指向的对象有关
不构成多态，对象类型是什么就调用谁，即普通对象调用跟当前对象类型有关

五、单继承和多继承关系的虚函数表

1. 单继承中的虚函数表

class Base {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
private:
	int a;
};

class Derive :public Base {
public:
	//重写基类的func1虚函数
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	//自己再新增两个虚函数
	virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
	virtual void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
private:
	int b;
};

int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}
我们F10调试起来，通过监视窗口观察派生类的虚函数表，我们发现派生类的虚表是先拷贝了一份基类的虚表内容，并且对于派生类重写了基类的func1虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数，但是我们没有在派生类的虚表发现派生类新增的func3和func4，这是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数，也可以认为是它的一个小bug。如下图：

那么我们如何查看派生类完整的虚表呢？

通过内存监视窗口，如下图
使用代码打印虚表内容
typedef void(*VFPTR) ();
//void PrintVTable(VFPTR vTable[])
void PrintVTable(VFPTR* vTable)
{
	//依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
	cout << "虚表地址>" << vTable << endl;
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf("第%d个虚函数地址：%p，->", i, vTable[i]);
		VFPTR f = vTable[i];
		f();
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	Base b;
	Derive d;

	// 思路：取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，前面我们说了虚函数表本质是一个存虚函数
	//       指针的指针数组，这个数组最后面放了一个nullptr
	// 1.先取b的地址，强转成一个int*的指针
	// 2.再解引用取值，就取到了b对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针
	// 3.再强转成VFPTR*，因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。
	// 4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表
	// 5.需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最
	//	后面没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的 - 生成 - 清理解决方案，再
	//	编译就好了。
	VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
	PrintVTable(vTableb);

	VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
	PrintVTable(vTabled);
	return 0;
}
小结：单继承的派生类虚函数表

派生类的虚函数表是先将基类的虚函数表拷贝一份
如果派生类自己重写了基类的虚函数，则覆盖基类的虚函数
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，但注意我们在监视窗口看不出来新加的虚函数，需要在内存或自己编写程序打印才能看见新加的虚函数

2. 多继承中的虚函数表

class Base1 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; }
private:
	int b1;
};

class Base2 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; }
private:
	int b2;
};

class Derive : public Base1, public Base2 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
private:
	int d1;
};

typedef void(*VFPTR) ();
//void PrintVTable(VFPTR vTable[])
void PrintVTable(VFPTR* vTable)
{
	//依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
	cout << "虚表地址>" << vTable << endl;
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf("第%d个虚函数地址：%p，->", i, vTable[i]);
		VFPTR f = vTable[i];
		f();
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	Derive d;

	int vft1 = *((int*)&d);
	//int vft2 = *((int*)((char*)&d + sizeof(Base1)));
	Base2* ptr = &d;
	int vft2 = *((int*)ptr);

	PrintVTable((VFPTR*)vft1);
	PrintVTable((VFPTR*)vft2);
	return 0;
}
问题1：Derive有几个虚表

派生类不会单独产生虚表，因为它继承了父类，父类里面已经有了虚表，父类是派生类的一部分，所以这个虚表就是属于派生类的。
所以Derive有两个虚表

问题2：多继承中派生类新增的虚函数放在哪个虚表

同样的这个时候监视窗口看不到，我们可以通过监视内存窗口或打印虚表内容才能看到新增的虚函数放在哪个虚表中
多继承派生类新增的虚函数放在第一个继承基类部分的虚函数表中

问题3：为什么重写func1，但base1和base2的虚表中的地址不一样？

虽然虚表地址不一样，但是他们还是调用的同一个
调用Derive::func1，需要传指向Derive的this和call函数func1的地址。
base1虚表中存的是func1真正的地址，base2虚表中存的是func1封装的地址。因为base1的this和Derive的this一样，base2的this和Derive的this不一样，所以base2中存的是func1封装的地址，在封装地址之后我们修正了this指针并调用了func1

六、继承和多态常见的面试问题

什么是多态
多态有两种：静态多态和动态多态
静态多态：函数重载
动态多态：多继承中虚函数重写 + 父类指针调用去调用同一函数
多态的本质就是更方便和灵活多种形态的调用

多态的实现原理？
静态多态：函数名修饰规则
动态多态：虚函数表

什么是重载、重写（覆盖）、重定义（隐藏）？

重载是指两个函数在同一作用域，这两个函数的函数名相同，参数不同
重写(覆盖)是指两个函数分别在基类和派生类的作用域，这两个函数的函数名、参数、返回值都必须相同(协变例外)，且这两个函数都是虚函数
重定义(隐藏)是指两个函数分别在基类和派生类的作用域，这两个函数的函数名相同。若两个基类和派生类的同名函数不构成重写就是重定义。

inline函数可以是虚函数吗？
可以，不过编译器就忽略inline属性，这个函数就不再是inline，因为虚函数地址要放到虚表中去，而inline函数没有地址。

静态成员可以是虚函数吗？
不能，因为静态成员函数没有this指针，使用类型::成员函数的调用方式无法访问虚函数表，所以静态成员函数无法放进虚函数表
即无法实现出多态，也就没有意义，所以语法会强制检查

构造函数可以是虚函数吗？
构造函数不可以是虚函数，因为虚表是在编译的时候就生成了，虚表指针是在初始化列表阶段时候初始化

析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？
可以，并且最好把基类的析构函数定义成虚函数
在使用基类指针指向子类对象的，只有是虚函数才能正确释放空间

对象访问普通函数快还是虚函数快？
如果不构成多态，一样快，构成多态，普通函数快,，因为构成多态，运行时调用虚函数需要到虚函数表中去查找。

虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？
虚函数表是在编译阶段就生成的，一般情况下存在代码段(常量区)的。

C++菱形继承的问题？虚函数的原理？
问题：菱形继承会导致子类存放2份的父类成员，导致数据冗余和二义性
原理：而虚继承对于相同的虚基类在对象中只会存储一份，若要访问虚基类的成员则要通过虚机表指针访问到虚基表，而虚基表中存放的时偏移量，通过偏移量来找到公共父类成员的位置并对其进行操作。

什么是抽象类？
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

注意：

继承里的虚机表存储的是偏移量，是为了解决数据冗余和二义性
多态里的虚函数表存的是虚函数的地址，为了的是实现多态

多态的条件：

父类的指针或引用去调用
虚函数的重写-重写的是实现，其他的还是用父类的

再次理解继承的对象模型：

例如B继承A：B的成员有两个部分，一部分是自己，一部分是父类。它是把父类成员当成一个子对象去处理的，所以父类那一部分成员的必须去调用父类的构造去初始化，调用父类的析构去清理资源。即是把父类一个整体当做子类的一个成员。
对象只与成员变量有关系，与成员函数没关系，编译好的成员函数都是放在代码段的只有一份。