C++ 多态详解：虚函数机制与底层原理实现

1.4 override 和 final 关键字

C++11 引入了 override 和 final 来增强代码安全性。

• override: 显式声明当前函数为重写基类虚函数。若未找到匹配基类虚函数，编译报错，避免拼写错误导致的意外隐藏。
• final: 禁止类被继承，或禁止虚函数被重写。

class Car {
public:
    virtual void Drive() {}
};

class Benz : public Car {
public:
    // 检查重写，若基类无对应虚函数则编译失败
    void Drive() override { 
        cout << "Benz-舒适" << endl; 
    }
};

1.5 纯虚函数和抽象类

在虚函数后写 = 0 即为纯虚函数。包含纯虚函数的类称为抽象类，无法实例化对象。派生类必须重写所有纯虚函数才能实例化，否则也是抽象类。

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

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

1.6 重载/重写/隐藏的对比

多态的概念

多态分为编译时多态（静态多态）和运行时多态（动态多态）。

• 编译时多态：如函数重载、模板，编译期确定调用哪个函数。
• 运行时多态：通过虚函数和继承体系实现，运行期根据对象实际类型决定调用行为。

多态的定义及实现

3.1 实现多态的条件

1. 必须是基类的指针或引用调用虚函数。
2. 被调用的函数必须是虚函数，并且完成了函数重写。

只有基类指针或引用才能既指向基类对象又指向派生类对象；派生类必须重写虚函数，基类和派生类之间才有不同的函数实现，从而体现多态效果。

3.2 多态场景题目解析

class A {
public:
    virtual void func(int val = 1) { 
        std::cout << "A->" << val << std::endl; 
    }
    virtual void test() { 
        func(); // this 类型为 A*
    }
};

class B : public A {
public:
    void func(int val = 0) { 
        std::cout << "B->" << val << std::endl; 
    }
};

int main() {
    B* p = new B;
    p->func(); // B->0 普通调用，看指针类型
    return 0;
}

解析：

1. this 指针类型：在 A::test() 中，this 类型为 A*，因为继承不拷贝成员，调用的是 A 中的 test。
2. 调用谁的 func()：由于满足多态条件（基类指针 + 虚函数），实际调用的是 B 中的 func。

多态的原理

4.1 虚函数表指针

含有虚函数的类对象中会多出一个指针，称为虚函数表指针（vptr），指向虚函数表（vtable）。该表本质上是一个存储虚函数地址的数组。

class Base {
public:
    virtual void Func1() {}
    virtual void Func2() {}
    void Func3() {}
protected:
    int _b = 1;
    char _ch = 'x';
};
// sizeof(Base) 通常为 12 字节（含 vptr）

4.2 多态是如何实现的

底层不再通过编译时确定的函数地址调用，而是运行时通过对象的虚表指针找到对应的虚函数地址。

class Person {
public:
    virtual void BuyTicket() { 
        cout << "买票 - 全价" << endl; 
    }
private:
    string _name;
};

class Student : public Person {
public:
    void BuyTicket() { 
        cout << "买票 - 打折" << endl; 
    }
private:
    string _id;
};

void Func(Person* ptr) {
    // 运行时到指向对象的虚表中查找地址
    ptr->BuyTicket();
}

4.3 动态绑定与静态绑定

• 静态绑定：不满足多态条件的调用，编译期确定地址。
• 动态绑定：满足多态条件的调用，运行期查虚表确定地址。

4.4 虚函数表

• 基类对象虚表存放基类虚函数地址，同类型对象共用一张虚表。
• 派生类虚表包含：基类虚函数地址（可能被覆盖）、派生类重写后的地址、派生类新增虚函数地址。
• 虚函数表通常存放在代码段（常量区）。

int main() {
    Base b;
    Derive d;
    // 打印虚表地址与普通函数地址对比，验证存储位置
    printf("Base 虚表地址:%p\n", *(int*)&b);
    printf("虚函数地址:%p\n", &Base::func1);
    return 0;
}