什么是多態(tài)？

多態(tài)（Polymorphism）是面向?qū)ο缶幊痰娜蠛诵奶匦灾唬ǚ庋b、繼承、多態(tài)），源于希臘語(yǔ)"多種形態(tài)"。在C++中，它允許我們使用統(tǒng)一的接口處理不同類(lèi)型的對(duì)象，顯著提高了代碼的靈活性和可擴(kuò)展性。

核心概念

1. 同一接口，多種形態(tài)
   不同的對(duì)象可以通過(guò)相同的方法名調(diào)用，但實(shí)際執(zhí)行的邏輯由對(duì)象自身的類(lèi)決定。
2. 解耦調(diào)用與實(shí)現(xiàn)
   調(diào)用者只需關(guān)注接口（方法名和參數(shù)），無(wú)需關(guān)心具體實(shí)現(xiàn)，提高代碼的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

多態(tài)的定義及實(shí)現(xiàn)

多態(tài)的構(gòu)成條件

多態(tài)是?個(gè)繼承關(guān)系的下的類(lèi)對(duì)象，去調(diào)?同?函數(shù)，產(chǎn)?了不同的?為。
實(shí)現(xiàn)多態(tài)還有兩個(gè)必須重要條件：

1. 必須是基類(lèi)的指針或者引?調(diào)?虛函數(shù)

2. 被調(diào)?的函數(shù)必須是虛函數(shù)，并且完成了虛函數(shù)重寫(xiě)/覆蓋。說(shuō)明：要實(shí)現(xiàn)多態(tài)效果，第?必須是基類(lèi)的指針或引?，因?yàn)橹挥谢?lèi)的指針或引?才能既指向基類(lèi) 對(duì)象?指向派?類(lèi)對(duì)象；第?派?類(lèi)必須對(duì)基類(lèi)的虛函數(shù)完成重寫(xiě)/覆蓋，重寫(xiě)或者覆蓋了，基類(lèi)和派 ?類(lèi)之間才能有不同的函數(shù)，多態(tài)的不同形態(tài)效果才能達(dá)到。

虛函數(shù)

類(lèi)成員函數(shù)前?加virtual修飾，那么這個(gè)成員函數(shù)被稱(chēng)為虛函數(shù)。注意?成員函數(shù)不能加virtual修飾。

class A
{

public:
 virtual void() {}
};

虛函數(shù)的重寫(xiě)/覆蓋

虛函數(shù)的重寫(xiě)/覆蓋：派?類(lèi)中有?個(gè)跟基類(lèi)完全相同的虛函數(shù)(即派?類(lèi)虛函數(shù)與基類(lèi)虛函數(shù)的返回值類(lèi)型、函數(shù)名字、參數(shù)列表完全相同)，稱(chēng)派?類(lèi)的虛函數(shù)重寫(xiě)了基類(lèi)的虛函數(shù)。

注意：在重寫(xiě)基類(lèi)虛函數(shù)時(shí)，派?類(lèi)的虛函數(shù)在不加virtual關(guān)鍵字時(shí)，也可以構(gòu)成重寫(xiě)(因?yàn)槔^承后基類(lèi)的虛函數(shù)被繼承下來(lái)了在派?類(lèi)依舊保持虛函數(shù)屬性)

關(guān)鍵技術(shù)原理

1. 虛函數(shù)表（vtable）

   • 每個(gè)包含虛函數(shù)的類(lèi)自動(dòng)生成虛函數(shù)表
   • 存儲(chǔ)該類(lèi)所有虛函數(shù)的地址
   • 創(chuàng)建對(duì)象時(shí)隱式添加vptr指針指向vtable

2. 動(dòng)態(tài)綁定過(guò)程

   

最佳實(shí)踐指南

1. 使用override關(guān)鍵字明確重寫(xiě)意圖

2. 基類(lèi)析構(gòu)函數(shù)必須聲明為virtual

3. 接口類(lèi)使用純虛函數(shù)

4. 性能考量：虛函數(shù)調(diào)用比普通函數(shù)多一次指針解引用

虛函數(shù)重寫(xiě)

協(xié)變

派?類(lèi)重寫(xiě)基類(lèi)虛函數(shù)時(shí)，與基類(lèi)虛函數(shù)返回值類(lèi)型不同。即基類(lèi)虛函數(shù)返回基類(lèi)對(duì)象的指針或者引?，派?類(lèi)虛函數(shù)返回派?類(lèi)對(duì)象的指針或者引?時(shí)，稱(chēng)為協(xié)變。核心概念

1. 基類(lèi)虛函數(shù)返回基類(lèi)類(lèi)型指針 / 引用。
2. 派生類(lèi)重寫(xiě)函數(shù)返回派生類(lèi)類(lèi)型指針 / 引用。
3. 編譯器會(huì)自動(dòng)處理類(lèi)型轉(zhuǎn)換，確保調(diào)用的一致性。

協(xié)變的條件

1. 基類(lèi)函數(shù)必須為虛函數(shù)。
2. 返回類(lèi)型必須是指針或引用（不能是值類(lèi)型）。
3. 派生類(lèi)返回類(lèi)型必須是基類(lèi)返回類(lèi)型的公有派生類(lèi)。
4. 函數(shù)簽名的其他部分（參數(shù)、常量性）必須完全相同。

析構(gòu)函數(shù)的重寫(xiě)

基類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)為虛函數(shù)，此時(shí)派?類(lèi)析構(gòu)函數(shù)只要定義，?論是否加virtual關(guān)鍵字，都與基類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)構(gòu)成重寫(xiě)，雖然基類(lèi)與派?類(lèi)析構(gòu)函數(shù)名字不同看起來(lái)不符合重寫(xiě)的規(guī)則，實(shí)際上編譯器對(duì)析構(gòu)函數(shù)的名稱(chēng)做了特殊處理，編譯后析構(gòu)函數(shù)的名稱(chēng)統(tǒng)?處理成destructor，所以基類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)加了vialtual修飾，派?類(lèi)的析構(gòu)函數(shù)就構(gòu)成重寫(xiě)。

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;
 delete p2;
 return 0;
}

如果~A()，不加virtual，那么delete p2時(shí)只調(diào)?的A的析構(gòu)函數(shù)，沒(méi)有調(diào)?B的析構(gòu)函數(shù)，就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏問(wèn)題，因?yàn)?~B()中在釋放資源。

只有派?類(lèi)Student的析構(gòu)函數(shù)重寫(xiě)了Person的析構(gòu)函數(shù)，下?的delete對(duì)象調(diào)?析構(gòu)函數(shù)，才能構(gòu)成多態(tài)，才能保證p1和p2指向的對(duì)象正確的調(diào)?析構(gòu)函數(shù)。

override和final關(guān)鍵字

1. override 關(guān)鍵字
   作用
   明確標(biāo)記一個(gè)函數(shù)是重寫(xiě)基類(lèi)的虛函數(shù)，編譯器會(huì)檢查以下條件：
   基類(lèi)中是否存在同名虛函數(shù)。
   基類(lèi)和派生類(lèi)的函數(shù)簽名（參數(shù)、常量性、引用限定符）是否嚴(yán)格一致。
   返回類(lèi)型是否符合協(xié)變規(guī)則（如果適用）。
2. final 關(guān)鍵字
   作用
   final 有兩種用法：
   修飾虛函數(shù)：禁止派生類(lèi)重寫(xiě)該虛函數(shù)。
   修飾類(lèi)：禁止該類(lèi)被繼承。

純虛函數(shù)和抽象類(lèi)

在虛函數(shù)的后?寫(xiě)上=0，則這個(gè)函數(shù)為純虛函數(shù)，純虛函數(shù)不需要定義實(shí)現(xiàn)(實(shí)現(xiàn)沒(méi)啥意義因?yàn)橐慌?類(lèi)重寫(xiě)，但是語(yǔ)法上可以實(shí)現(xiàn))，只要聲明即可。包含純虛函數(shù)的類(lèi)叫做抽象類(lèi)，抽象類(lèi)不能實(shí)例化出對(duì)象，如果派?類(lèi)繼承后不重寫(xiě)純虛函數(shù)，那么派?類(lèi)也是抽象類(lèi)。純虛函數(shù)某種程度上強(qiáng)制了派?類(lèi)重寫(xiě)虛函數(shù)，因?yàn)椴恢貙?xiě)實(shí)例化不出對(duì)象

• 純虛函數(shù)：在基類(lèi)中聲明為virtual，并且沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的函數(shù)，形式為virtual void func() = 0;。
• 抽象類(lèi)：包含純虛函數(shù)的類(lèi)稱(chēng)為抽象類(lèi)，不能實(shí)例化對(duì)象，只能作為基類(lèi)被派生。
• 示例：

  class Shape {
  public:
      virtual void draw() = 0; // 純虛函數(shù)
  };
  
  class Circle : public Shape {
  public:
      void draw() override {
          cout << "Drawing Circle" << endl;
      }
  };
  

  • Shape是一個(gè)抽象類(lèi)，Circle是派生類(lèi)，重寫(xiě)了draw()函數(shù)。
  • 多態(tài)的使用：

    Shape* shape = new Circle();
    shape->draw(); // 輸出：Drawing Circle
    

多態(tài)的原理

多態(tài)是如何實(shí)現(xiàn)的

在C++中，多態(tài)主要通過(guò)虛函數(shù)（virtual functions）和繼承機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。以下是多態(tài)實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)過(guò)程和原理：

1. 虛函數(shù)表（vtable）

• 概念：每個(gè)包含虛函數(shù)的類(lèi)都會(huì)有一個(gè)虛函數(shù)表（vtable），它是一個(gè)存儲(chǔ)虛函數(shù)地址的數(shù)組。當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)類(lèi)的對(duì)象時(shí)，對(duì)象會(huì)包含一個(gè)指向其類(lèi)的虛函數(shù)表的指針（vptr）。
• 作用：vtable是實(shí)現(xiàn)多態(tài)的關(guān)鍵。當(dāng)通過(guò)基類(lèi)指針或引用調(diào)用虛函數(shù)時(shí)，程序會(huì)通過(guò)vptr找到對(duì)應(yīng)的vtable，然后通過(guò)vtable找到實(shí)際的虛函數(shù)地址。

虛函數(shù)表知識(shí)要點(diǎn)

1. 基類(lèi)對(duì)象的虛函數(shù)表中存放基類(lèi)所有虛函數(shù)的地址。同類(lèi)型的對(duì)象共?同?張?zhí)摫恚煌?lèi)型的對(duì)象各?有獨(dú)?的虛表，所以基類(lèi)和派?類(lèi)有各?獨(dú)?的虛表。
2. 派?類(lèi)由兩部分構(gòu)成，繼承下來(lái)的基類(lèi)和??的成員，?般情況下，繼承下來(lái)的基類(lèi)中有虛函數(shù)表指針，??就不會(huì)再?成虛函數(shù)表指針。但是要注意的這?繼承下來(lái)的基類(lèi)部分虛函數(shù)表指針和基類(lèi)對(duì)象的虛函數(shù)表指針不是同?個(gè)，就像基類(lèi)對(duì)象的成員和派?對(duì)象中的基類(lèi)對(duì)象成員也獨(dú)?的。
3. 派?類(lèi)中重寫(xiě)的基類(lèi)的虛函數(shù)，派?類(lèi)的虛函數(shù)表中對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)就會(huì)被覆蓋成派?類(lèi)重寫(xiě)的虛函數(shù)地址。
4. 派?類(lèi)的虛函數(shù)表中包含，(1)基類(lèi)的虛函數(shù)地址，(2)派?類(lèi)重寫(xiě)的虛函數(shù)地址完成覆蓋，派?類(lèi)??的虛函數(shù)地址三個(gè)部分。
5. 虛函數(shù)表本質(zhì)是?個(gè)存虛函數(shù)指針的指針數(shù)組，?般情況這個(gè)數(shù)組最后?放了?個(gè)0x00000000標(biāo)記。（此條取決于編譯器）
6. 虛函數(shù)存儲(chǔ)的位置（vs下為常量區(qū)）
   可以自行驗(yàn)證：

class Base {

public:
 virtual void func1() {}

protected:
 int a = 1;
};

class Derive : public Base
{
public:
 virtual void func1() {}
protected:
 int b = 2;
};

int main()
{
 int i = 0;
 static int j = 1;
 int* p1 = new int;
 const char* p2 = "xxxxxxxx";
 printf("棧:%p\n", &i);
 printf("靜態(tài)區(qū):%p\n", &j);
 printf("堆:%p\n", p1);
 printf("常量區(qū):%p\n", p2);
 Base b;
 Base* p3 = &b;
 printf("虛表地址:%p\n", *(int*)p3);
 return 0;
}
//通過(guò)比較虛表地址，找到其最近的內(nèi)存片段來(lái)確定

2. 虛函數(shù)的聲明

• 在類(lèi)中使用virtual關(guān)鍵字聲明函數(shù)為虛函數(shù)。
  Base為基類(lèi)，Derived為繼承類(lèi)。

  class Base {
  public:
      virtual void show() {
          cout << "Base show()" << endl;
      }
  };
  
  class Derived : public Base {
  public:
      void show() override { // override表示重寫(xiě)基類(lèi)的虛函數(shù)
          cout << "Derived show()" << endl;
      }
  };
  

  • Base類(lèi)的show()函數(shù)被聲明為虛函數(shù)，Derived類(lèi)重寫(xiě)了這個(gè)虛函數(shù)。

3. 多態(tài)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

• 創(chuàng)建對(duì)象：

  Derived d;
  

  • 當(dāng)創(chuàng)建Derived類(lèi)的對(duì)象d時(shí)，對(duì)象中會(huì)包含一個(gè)vptr，指向Derived類(lèi)的vtable。
  • Derived類(lèi)的vtable中存儲(chǔ)了Derived類(lèi)重寫(xiě)的虛函數(shù)show()的地址。
• 通過(guò)基類(lèi)指針或引用調(diào)用虛函數(shù)：

  Base* ptr = &d;
  ptr->show();
  

  • ptr是一個(gè)指向Base類(lèi)的指針，但它指向的是Derived類(lèi)的對(duì)象。
  • 當(dāng)調(diào)用ptr->show()時(shí)，程序會(huì)通過(guò)ptr找到對(duì)象的vptr，然后通過(guò)vptr找到Derived類(lèi)的vtable，最終調(diào)用Derived類(lèi)的show()函數(shù)。
  • 這就是多態(tài)的運(yùn)行時(shí)綁定（動(dòng)態(tài)綁定）過(guò)程。

動(dòng)態(tài)綁定與靜態(tài)綁定

• 對(duì)不滿(mǎn)?多態(tài)條件(指針或者引?+調(diào)?虛函數(shù))的函數(shù)調(diào)?是在編譯時(shí)綁定，也就是編譯時(shí)確定調(diào)?函數(shù)的地址，叫做靜態(tài)綁定。

• 滿(mǎn)?多態(tài)條件的函數(shù)調(diào)?是在運(yùn)?時(shí)綁定，也就是在運(yùn)?時(shí)到指向?qū)ο蟮奶摵瘮?shù)表中找到調(diào)?函數(shù)的地址，也就做動(dòng)態(tài)綁定。

總結(jié)

到此這篇關(guān)于C++三大核心特性之多態(tài)詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++多態(tài)詳解內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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