C++ 多态详解：从概念到实现原理

重载、覆盖 (重写)、隐藏 (重定义) 的对比

抽象类

在虚函数后面写上 =0，则该函数为纯虚函数。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。

作用： 强制要求派生类重写虚函数，体现接口继承关系。

接口继承和实现继承

• 普通函数的继承：是一种实现继承，继承的是函数的实现。
• 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。

多态的原理

虚函数表 (也叫做虚表)

包含虚函数的类会有虚函数表指针，虚函数表指针指向的是虚函数表的地址。虚函数表里面存了虚函数的指针。同一个类的所有实例对象共享同一个虚函数表。

注意：VS 编译器的虚表指向的地址后面通常会有 0 作为结束标记。但在增量编译后可能消失，需清理解决方案或重新生成。

引申：虚表的打印

虚表本质上是函数指针数组。

typedef void(*FUNC_PTR)();

void PrintVFT(FUNC_PTR* table) {
    for (size_t i = 0; table[i] != nullptr; i++) {
        printf("[%d]:%p->", i, table[i]);
        FUNC_PTR f = table[i];
        f();
    }
    printf("\n");
}

int main() {
    Student st;
    int vft2 = *((int*)&st);
    PrintVFT((FUNC_PTR*)vft2);
    return 0;
}

注意：成员变量的变化可能会导致虚表的打印出错，因为可能会影响内存布局。虚表和虚基表都是在编译阶段生成的，对象实例化之后才会与虚表有联系（通过虚表指针）。

多态的原理

核心的实现机制就是虚函数表和虚指针。满足多态的话，子类的虚指针指向的虚表中的虚函数就会覆盖父类的虚函数的地址，然后调用的就是子类的虚函数了。

静态多态和动态多态

• 静态多态：又叫静态绑定、前期绑定，在程序编译期间就确定了程序的行为（如函数重载）。
• 动态多态：又称为动态绑定、后期绑定，是在程序运行期间才确定调用什么函数的（继承 + 虚函数重写实现的多态）。默认情况下，多态一般指的是动态多态。

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;
};

int main() {
    Derive d;
    cout << sizeof(d) << endl; // X86 环境下，这个占 20 个字节，组成：两个基类 (都是一个虚表指针加一个成员变量) 加一个成员变量
    Base1* ptr1 = &d;
    ptr1->func1();
    Base2* ptr2 = &d;
    ptr2->func1(); // 通过修正 this 指针，来让 this 指针指向派生类的头
    return 0;
}

注意：多继承派生类的未重写的虚函数放在第一个继承基类部分的虚函数表中（其实是末尾）。Base2 中 func1 的地址不一样是为了 jmp 去修正 this 指针的位置。

常见问题与面试题

设计不想被继承的类

1. 方法 1：基类构造函数私有 (C++98)。

   class A {
   public:
       static A CreateObj() {
           return A();
       }
   private:
       A() {}
   };
   

2. 方法 2：基类加一个 final (C++11)。

   class A final {}
   

sizeof 计算

常考笔试题：sizeof(Base) 是多少？(X86 环境下)

class Base {
public:
    virtual void Func1() { cout << "Func1()" << endl; }
private:
    char _b = 1;
};

int main() {
    cout << sizeof(Base) << endl; // 答案：8 个字节
    return 0;
}

注意：类里面还有一个虚函数表指针 (_vfptr)，所以即使只有一个 char 成员，大小也会受对齐和虚表指针影响。

缺省参数与多态

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() {
    B* p = new B;
    p->test();
    return 0;
}

结果输出 B->1。这是因为三同里面的形参相同只用形参的类型相同就行，缺省参数和名字可以不同。在 test() 中调用 func() 时，由于 this 不是父类指针，不构成多态，使用的是静态绑定的缺省值。如果把 test() 放在了 B 里面，就应该输出 B->0 了。

面试常考题

1. 什么是多态？ 答：静态多态和动态多态都要答。静态多态编译期确定，动态多态运行期确定。
2. inline 函数可以是虚函数吗？ 答：可以，不过编译器就忽略 inline 属性，这个函数就不再是 inline，因为虚函数要放到虚表中去。
3. 静态成员可以是虚函数吗？ 答：不能，因为静态成员函数没有 this 指针，无法访问虚函数表，语法也会强制检查报错。
4. 构造函数可以是虚函数吗？ 答：不能，因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始化的。
5. 对象访问普通函数快还是虚函数更快？ 答：首先如果是普通对象，是一样快的。如果是指针对象或者是引用对象，则调用的普通函数快，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。
6. 虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？ 答：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。