【C++】多态

原创于 2025-11-24 16:29:02 发布 · 430 阅读

7 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#c++ #开发语言

C++ 专栏收录该内容

15 篇文章

订阅专栏

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)和运⾏时多态(动态多态)。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”(>^ω^<)喵“，传狗对象过去，就是"汪汪"。

2. 多态的定义及实现

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 实现多态还有两个必须重要条件

必须是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，并且完成了虚函数重写/覆盖。

说明：要实现多态效果，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。

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，经常会故意买这个坑，让你判断是否构成多态。

示例代码：

class A {};
class B : public A {};

// 多态
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) 
{
	// 多态调用
	ptr->BuyTicket();
}

class Animal
{
public:
	// 重写实现
	virtual void talk() const
	{
		std::cout << "吱吱" << endl;
	}
};

class Dog : public Animal
{
public:
	//重写实现
	void talk() const
	{
		std::cout << "汪汪" << endl;
	}
};

class Cat : public Animal
{
public:
	void talk() const
	{
		std::cout << "喵呜" << endl;
	}
};

void letsHear(Animal& animal)
{
	animal.talk();
}

int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	Func(&ps);
	Func(&st);

	Cat cat;
	Dog dog;
	letsHear(cat);
	letsHear(dog);

	return 0;
}

2.1.4 多态场景的⼀个选择题

非常坑的一个选择题

以下程序输出结果是什么（）
A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确

如果添加一行，则结果为：

多态调用：父类虚函数声明 + 子类中实现构成这个虚函数（这也很好的解释了多态中为什么父类加了virtual，子类就可以不加virtual）

多态调用时：看调用指针或者引用的对象

普通调用：看调用指针或者引用的类型

2.1.5 虚函数重写的⼀些其他问题

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。（上面的代码）

class A {};
class B : public A {};

// 多态
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) 
{
	// 多态调用
	ptr->BuyTicket();
}

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。

派生类的析构函数得为虚函数

下⾯的代码我们可以看到，如果~A()，不加virtual，那么delete p2时只调⽤的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。

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Student的析构函数重写了Person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;
}

运行结果：

基类的析构函数为虚函数，所以可以正确释放内存

若基类的析构函数不为虚函数，则不能正确释放内存，会发生内存泄漏的问题！！

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。

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，可以帮助⽤⼾检测是否重写。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()
	virtual void Drive() final
	{}
};

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

int main()
{
	return 0;
}

2.1.7 重载/重写/隐藏的对⽐

本质是一种函数间的关系

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。

// 抽象类
class Car
{
public:
	// 纯虚函数
	virtual void Drive() = 0;
};

class Benz : public Car
{
public:
	virtual void Drive()
	{
		cout << "Benze-舒适" << endl;
	}
};

class BMW : public Car
{
public: 
	virtual void Drive()
	{
		cout << "BMW-操纵" << endl;
	}
};

int main()
{
	// 纯虚函数实例不出来对象
	// Car car;
	Car* pBenz = new Benz;
	pBenz->Drive();

	Car* pBMW = new BMW;
	pBMW->Drive();
}

4. 多态的原理

4.1 虚函数表指针

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;
}

【注意】一般题目涉及到32位或者64位，那就跟指针有关系，因为指针在32位系统下是四个字节，在64位系统下是8位字节

上面题目运行结果12bytes，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。

4.2 多态的原理

4.2.1 多态是如何实现的

从底层的角度Func函数中ptr->BuyTicket()，是如何作为ptr指向Person对象调用Person::BuyTicket， ptr指向Student对象调用Student::BuyTicket的呢？通过下图我们可以看到，满足多态条件后，底层不再是编译时通过调用对象确定函数的地址，而是运行时到指向的对象的虚表中确定对应的虚函数的地址，这样就实现了指针或引用指向基类就调用基类的虚函数，指向派生类就调用派生类对应的虚函数。第一张图，ptr指向的Person对象，调用的是Person的虚函数；第二张图，ptr指向的Student对象，调用的是Student的虚函数。

示例代码：

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;
};

// void Func(Person ptr) 必须是指向基类的指针或引用，否则没有多态效果
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);

	// 同类型的对象共用一张虚表
	Person p1;
	Person p2;
	Person p3;

	return 0;
}

同类型的对象共同一张虚表

4.2.2 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。

4.2.3 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，不同类型的对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)

示例代码：

class Base {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
	void func5() { cout << "Base::func5" << endl; }
protected:
	int a = 1;
};

class Derive : public Base
{
public:
	// 重写基类的func1
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
protected:
	int b = 2;
};

int main()
{
	Base b;
	Derive d;

	return 0;
}

注意，监视窗口是看不到func3的，所以确实是存在的

一般内存区分为栈、堆（动态内存分配）、静态区（存储全局变量和静态变量）和常量区（存储字符串字面值常量和const 修饰的常量）

验证代码（虚函数表的地址）：

class Base {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
	void func5() { cout << "Base::func5" << endl; }
protected:
	int a = 1;
};

class Derive : public Base
{
public:
	// 重写基类的func1
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
protected:
	int b = 2;
};

int main()
{
	int i = 0;
	static int j = 1;
	int* p1 = new int;

	const char* p2 = "xxxxxxx";
	printf("栈：%p\n", &i);
	printf("静态区：%p\n", &j);
	printf("堆：%p\n", p1);
	printf("常量区：%p\n", p2);

	Base b;
	Derive d;

	printf("Base虚函数表地址:%p\n", *((int*)&b));
	printf("Derive虚函数表地址:%p\n", *((int*)&d));

	printf("虚函数地址:%p\n", &Base::func1);
	printf("普通函数地址:%p\n", &Base::func5);

}