C++ 多态详解：概念、实现与底层原理

2.4 虚函数重写的其他问题

协变（Covariance）

派生类重写虚函数时，若返回类型为基类对象的指针或引用，派生类可将其改为派生类对象的指针或引用。这被称为协变。虽然实际工程中用得不多，但理解其机制有助于掌握底层规则。

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:
    // 返回类型变为派生类指针，符合协变规则
    virtual B* BuyTicket() {
        cout << "买票 - 打折" << endl;
        return nullptr;
    }
};

析构函数的重写

基类析构函数应设为虚函数。这样在使用基类指针删除派生类对象时，能正确调用派生类的析构函数，避免内存泄漏。

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; // 调用 A 的析构函数
    delete p2; // 由于 A 析构是虚函数，会先调用 B 的析构函数，再调用 A 的
    return 0;
}

2.5 override 和 final 关键字

C++11 引入了 override 和 final 来增强代码安全性。

• override：强制检查是否成功重写了基类虚函数。如果签名不匹配，编译器会报错，防止因拼写错误导致的多态失效。
• final：阻止派生类继续重写当前虚函数。

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

class Benz : public Car {
public:
    // 如果 Drive 签名有误，这里会编译报错
    virtual void Drive() override { 
        cout << "Benz-舒适" << endl; 
    }
};

class Truck : public Car {
public:
    // 尝试重写被标记为 final 的函数会报错
    virtual void Drive() { 
        cout << "Truck-载重" << endl; 
    }
};

2.6 重载/重写/隐藏的对比

3. 纯虚函数和抽象类

将虚函数定义为纯虚函数（= 0），该类即为抽象类。抽象类不能被实例化，只能作为基类使用。派生类必须重写所有纯虚函数，否则派生类也会成为抽象类。

class Car {
public:
    // 纯虚函数，无具体实现
    virtual void Drive() = 0;
};

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

4. 多态的原理

4.1 虚函数表指针

含有虚函数的类对象中，通常会包含一个额外的指针，称为虚函数表指针（vptr）。它指向虚函数表（vtable），表中存储了该类所有虚函数的地址。

class Base {
public:
    virtual void Func1() { cout << "Func1()" << endl; }
protected:
    int _b = 1;
    char _ch = 'x';
};

// sizeof(Base) 通常为 12 字节（32 位系统）
// 1 个 vptr(4 字节) + _b(4 字节) + _ch(1 字节) + 填充(3 字节)

4.2 多态是如何实现的

当通过基类指针调用虚函数时，程序不会在编译期确定函数地址，而是在运行期通过 vptr 找到对应的 vtable，再从表中获取实际函数的地址。这就是动态绑定的本质。

4.3 动态绑定与静态绑定

• 静态绑定：不满足多态条件（如通过对象调用、非虚函数）时，编译器在编译期确定函数地址。
• 动态绑定：满足多态条件（指针/引用 + 虚函数）时，运行期通过 vtable 查找函数地址。

4.4 虚函数表

• 基类对象的虚函数表存放基类所有虚函数地址。
• 派生类对象包含继承下来的基类部分，通常只生成一份 vptr，指向自己的 vtable。
• 派生类重写的虚函数会覆盖 vtable 中对应位置的基类函数地址。
• 派生类 vtable 包含：基类虚函数地址（未被重写）、派生类重写后的地址、派生类新增的虚函数地址。
• 虚函数表本质上是一个存函数指针的数组，末尾通常有结束标记（如 0x00000000），具体由编译器决定。
• 虚函数本身存储在代码段，vtable 通常存储在数据段。