C++ 面向对象：多态的概念与实现原理

• override 和 final 关键字

C++11 提供了 override 关键字，可以帮助用户检测是否重写，防止因函数名写错或参数写错导致无法构成重写而在编译期间不报错的情况。

class Person {
public:
    virtual void buyticket() {}
};

class Student : public Person {
public:
    virtual void buyticket() override {}
};

如果不想让派生类重写这个虚函数，可以用 final 去修饰。

3、多态的实现

• 多态实现的条件

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

说明：只有基类的指针或者引用才能同时指向基类和派生类的对象；派生类必须对基类的虚函数完成重写/覆盖，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。

// 基类
class Person {
public:
    virtual void buyticket() {
        cout << "全价票" << endl;
    }
};

// 派生类
class Student : public Person {
public:
    virtual void buyticket() override {
        cout << "半价票" << endl;
    }
};

void Func(Person* ptr) { // 基类的指针来接收参数
    ptr->buyticket(); // 用基类的指针调用虚函数
}

int main() {
    Person p; // 基类对象
    Student s; // 派生类对象
    Func(&p); // 将基类对象作为实参，则调用基类的虚函数
    Func(&s); // 将派生类对象作为实参，则调用派生类的虚函数
    return 0;
}

• 多态场景下的一个经典面试题

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

答案：B

分析：题目中创建了一个指向 B 类类型对象的指针 p，通过指针 p 来调用 test 函数。由于 test 函数是基类 A 的成员函数，所以隐含的参数 this 指针是 A* 类型的。同时基类与子类中 func 函数构成虚函数的重写，虽然派生类的 func 函数并没有加 virtual 关键字，但是由于继承的原因，仍然构成重写，满足多态条件。此时会根据真正的实参的类型来决定调用哪个虚函数（动态绑定），指针 p 是派生类类型的，所以会调用派生类 B 中的 func 函数。

但是，默认参数是静态绑定的（编译时根据调用者的类决定）：test() 属于基类 A，因此 func() 的默认参数 val 会使用 A 中声明的 val = 1（而非 B 中声明的 val = 0）。

所以，选择 B：B -> 1。

4、虚函数重写的特殊场景

• 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。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。

为什么要这样设计？当一个基类的指针 ptr 指向派生类对象时，如果基类的析构函数不实现为虚函数，那么当 delete ptr 释放该对象时，由于静态绑定，就只调用基类的析构函数。如果派生类对象中有额外的资源，就会导致内存泄漏。

所以，C++ 中只要基类的析构函数实现为虚函数，无论派生类析构函数加不加 virtual 关键字，都会与基类的析构函数构成重写，即此时满足多态。编译器会根据 ptr 指针真正指向的类类型对象来调用相应的析构函数（动态绑定）。

// 基类
class A {
public:
    virtual ~A() {} // 虚函数
protected:
    int _a;
};

// 子类
class B : public A {
public:
    ~B() { delete[]_b; _b = nullptr; }
protected:
    int* _b = new int[10]; // 派生类中有额外的资源
};

// 用一个基类的指针指向派生类对象
int main() {
    A* a1 = new B;
    delete a1;
    return 0;
}

• 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。

class Person {
public:
    virtual Person* BuyTicket() { // 返回值为基类的指针
        cout << "买票 - 全价" << endl;
        return nullptr;
    }
};

class Student : public Person {
public:
    virtual Student* BuyTicket() { // 返回值为派生类的指针
        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;
}

5、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，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。

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

// 派生类
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() {
    // 错误示范：编译报错：error C2259: 'Car': 无法实例化抽象类
    // Car car;
    Car* pBenz = new Benz;
    pBenz->Drive();
    Car* pBMW = new BMW;
    pBMW->Drive();
    return 0;
}

二、多态的原理

1、虚函数表指针

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。

在 32 位机器下，一个指针占 4 个字节。如果一个类有虚函数，对象大小会增加一个指针的大小。

2、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，因为基类对象的成员和派生类对象中的基类对象成员是独立的。
• 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。这也是为什么，当满足多态时编译器会根据真正的对象调用相应的虚函数的原因。
• 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。

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 下是存在代码段 (常量区)。

3、多态的底层实现

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。

class Person {
public:
    virtual void buyticket() { cout << "全价票" << endl; }
protected:
    string _name;
};

class Student : public Person {
public:
    virtual void buyticket() { cout << "半价票" << endl; }
protected:
    int _id;
};

class Soldier : public Person {
public:
    virtual void buyticket() { cout << "优先买票" << endl; }
protected:
    int _codename;
};

4、动态绑定和静态绑定

• 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。

三、总结

多态是 C++ 面向对象编程非常重要的一个特性，多态在我们处理一些具有相似特性的问题时，有着非常重要的作用，同时在面试中也有许多的考点和细节。