C++ 多态核心原理与实现

多态

一、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），这里重点讲运行时多态。

编译时多态主要是函数重载和函数模板，通过参数不同达到多种形态，之所以叫编译时多态，是因为实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的。运行时多态，具体点就是去完成某个行为（函数），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；学生买票时是优惠；军人买票时是优先。再如同样是动物叫的行为，传猫对象过去就是'喵'，传狗对象过去就是'汪汪'。

二、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。

解释：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;
    }
};

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

即调用同一函数，产生了不同的行为。

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，经常会故意埋这个坑，让你判断是否构成多态。

#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 << "买票半价" << endl;
    }
};

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

void test() {
    Person p;
    fun(p);
    Student s;
    fun(s);
}

int main() {
    test();
    return 0;
}

输出结果可以看到 fun 函数虽然都是 Person 指针 p 在调用 BuyTicket，但是跟 p 没关系，而是由 p 指向的对象决定的。

2.1.4 多态场景的一个选择题

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

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;
}

这道题确实有些许难度，直接来分析：

多态的更深入理解：对于虚函数的重写，我们可以理解为只重写实现，所谓实现，就是说只重写函数体。所以，这样就更能说明前面的在重写基类虚函数时，派生类的虚函数可以不加 virtual 关键字的原因了。

对于 func 函数，重写之后应为：

多态调用：

所以，输出应该是 B->0 吗？不对，这里还有一个坑。

在 p->test() 时，this 是 A*，但我们可能想着，不是继承了嘛，继承只是我们口头上的说法，如果这是我们想的那种完全继承，那还要在派生类中重新生成函数，况且在上篇文章中对于继承体系中同名函数的隐藏又该如何处理呢。所以，this 是 A*。

func 函数有没有构成重写？

ok，所以答案就很明显了，B->1。

2.1.5 虚函数重写的一些其他问题

• 协变 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;
}

• 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 virtual 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 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。

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

一句话说明，为了防止通过基类指针删除（delete）派生类对象时，只调用基类析构函数而不调用派生类析构函数，导致派生类部分内存泄漏。

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;
    }
};

Drive 拼写错误，可见，检查会帮到我们的。

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

在继承中 final 有不同的作用。

2.1.7 重载/重写/隐藏的对比

这个概念对比是经常会被考到的，理解记忆就行。

三、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。

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() {
    Car car;
    Car* pBenz = new Benz;
    pBenz->Drive();
    Car* pBMW = new BMW;
    pBMW->Drive();
    return 0;
}

四、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;
}

上面题目运行结果 12 字节，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。

虚函数表是 C++ 实现运行时多态的核心机制。 我们也可以看出，虚表中存储的其实就是虚函数指针，所以虚表本质就是函数指针数组。 然后我们再来输入的看一下它是如何实现多态的。

4.2 多态的原理

4.2.1 多态是如何实现的

我们根据实际的代码来分析：

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) {
    ptr->BuyTicket();
}
int main() {
    Person ps;
    Student st;
    Soldier sr;
    Func(&ps);
    Func(&st);
    Func(&sr);
    return 0;
}

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。左图，ptr 指向的 Person 对象，调用的是 Person 的虚函数；而右图，ptr 指向的 Student 对象，调用的是 Student 的虚函数。

我们再来看一下这个 Func 函数中 ptr 所存的值：

想必此时应该已经悟了吧。

这样我们也不难看出，在继承过程中，存在虚函数，它的继承模型应类似于下面所示：

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。 从汇编层面来看：

// 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();
00043C32 mov ecx,dword ptr [ptr]
00043C35 call Person::BuyTicket (0415FFh)

• 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();
001B3C32 mov eax,dword ptr [ptr]
001B3C35 mov edx,dword ptr [eax]
001B3C37 mov esi,esp
001B3C39 mov ecx,dword ptr [ptr]
001B3C3C mov eax,dword ptr [edx]
001B3C3E call eax

涉及到会汇编，但我们简单来看：

这里作为了解即可，让我们对多态有了更深刻的了解。

4.2.3 虚函数表

• **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。

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;
};
int main() {
    Base b1;
    Base b2;
    cout << sizeof(b1) << endl;
    cout << sizeof(b2) << endl;
    return 0;
}

可见，同类型的对象共用同一张虚表。对象只需要存虚表的地址就行。

• 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。

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;
}

• **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 下是存在常量区的。

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，这是 vs 编译器的内存优化策略 g++ 系列编译不会放)

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，(3) 派生类自己的虚函数地址，三个部分。

在上图中，可知在派生类的虚表中，派生类自己的虚函数（这里特指 func3）地址可以推断为 0x00d51483（函数都是在代码段的，再加上前两个地址与后一个地址又如此接近），即派生类的虚函数表中也存在它自己的虚函数地址，在调试的时候看不到是 vs 的问题。

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。

我们还是以上面的继承体系为例：

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 = "xxxxxxxx";
    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;
    Base * p3 = &b;
    Derive * p4 = &d;
    printf("Person 虚表地址：%p\n", *(long long*)p3);
    printf("Student 虚表地址：%p\n", *(long long*)p4);
    printf("虚函数地址：%p\n", (void*)&Base::func1);
    printf("普通函数地址：%p\n", &Base::func5);
    return 0;
}

vs2022 运行结果： g++ 运行结果：在 g++ 下，我们的代码要微改一下，因为 g++ 默认 64 位下。

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 = "xxxxxxxx";
    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;
    Base * p3 = &b;
    Derive * p4 = &d;
    printf("Person 虚表地址：%p\n", *(long long*)p3);
    printf("Student 虚表地址：%p\n", *(long long*)p4);
    printf("虚函数地址：%p\n", (void*)&Base::func1);
    printf("普通函数地址：%p\n", &Base::func5);
    return 0;
}

可见，g++ 也是存放在常量区的。

总结

多态让'同一接口'在'不同对象'上拥有'不同实现'，是让 C++ 面向对象思想真正落地的关键。