深入理解C++中的多态性

目录标题

- - [1. 多态性简介](#1. 多态性简介)
  - [2. 静态多态](#2. 静态多态)
  - - 函数重载
    - 模板
  - [3. 动态多态](#3. 动态多态)
  - [4. 多态的应用](#4. 多态的应用)
  - [5. 总结](#5. 总结)

在C++编程中，多态性是一种使得相同的消息或操作可以应用于不同的对象，并根据对象的类型产生不同行为的能力。C++通过虚函数（virtual functions）和继承来实现多态性。本博客将详细介绍C++多态的工作原理，包括静态多态（编译时多态）和动态多态（运行时多态）的概念。

1. 多态性简介

多态性是面向对象程序设计的核心概念之一，它允许你使用统一的接口来操作不同的数据类型。多态可以分为两类：静态多态和动态多态。

2. 静态多态

静态多态，又称为编译时多态，是在编译时决定调用哪个函数。它主要通过函数重载和模板实现。

函数重载

函数重载允许在相同作用域内声明几个功能相似的同名函数，但是这些函数的参数类型或数量不同。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

class Print {
public:
    void display(int i) {
        cout << "Displaying int: " << i << endl;
    }

    void display(double d) {
        cout << "Displaying double: " << d << endl;
    }
};

int main() {
    Print p;
    p.display(5);    // 调用 void display(int)
    p.display(5.5);  // 调用 void display(double)
    return 0;
}

模板

模板提供了一种创建泛型类或函数的方法，允许在不同数据类型上进行操作，而不需要为每种数据类型重写代码。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T>
void display(T t) {
    cout << "Displaying: " << t << endl;
}

int main() {
    display(5);   // 调用 display<int>
    display(5.5); // 调用 display<double>
    return 0;
}

3. 动态多态

动态多态，也称为运行时多态，是在运行时决定调用哪个函数。它是通过虚函数实现的。

虚函数

在基类中声明的函数，在派生类中可以被重写。通过基类指针或引用调用虚函数时，将根据对象的实际类型调用相应的函数。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    virtual void display() {
        cout << "Display of Base" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void display() override {
        cout << "Display of Derived" << endl;
    }
};

int main() {
    Base* b = new Derived();
    b->display();  // 输出: Display of Derived
    delete b;
    return 0;
}

new动态分配内存

在C++中，new是一个运算符，用于动态分配内存。当你使用new时，它会在堆（heap）上分配一块内存，并返回该内存块的地址。这个地址可以被赋值给一个指针，以便后续通过指针访问这块内存。

在你的代码示例中，new Derived()执行了以下操作：

调用Derived类的构造函数，创建一个Derived类的对象。
在堆上分配足够的内存来存储这个Derived对象。
返回这块内存的地址。

这个地址被赋值给了Base*类型的指针b。由于b是一个指向Base类型的指针，它可以指向任何从Base类派生的对象，这就是多态性的体现。

在main函数的最后，delete b;用于释放由new分配的内存。delete运算符会调用对象的析构函数，并释放对象占用的内存。这是非常重要的，因为如果不释放动态分配的内存，就会导致内存泄漏。

总结一下，new在C++中用于动态分配内存，创建对象，并返回指向新对象的指针。而delete用于释放由new分配的内存。

纯虚函数和抽象类

如果类中至少有一个纯虚函数，则该类称为抽象类。抽象类不能实例化，并且通常用作基类。

cpp 复制代码

#include <iostream>
using namespace std;

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

class Derived : public Base {
public:
    void display() override {
        cout << "Display of Derived" << endl;
    }
};

int main() {
    // Base b; // 错误: 不能创建抽象类的对象
    Base* b = new Derived();
    b->display();  // 输出: Display of Derived
    delete b;
    return 0;
}

4. 多态的应用

多态性在实际编程中非常有用，它使得你可以编写更加通用和可重用的代码。例如，在设计一个图形界面库时，你可能会有一个基类 Shape，以及多个派生类如 Rectangle、Circle 等。通过多态，你可以使用基类指针来操作所有的派生类对象，从而简化代码和提高可维护性。

5. 总结

多态性是C++提供的一种强大机制，它允许以统一的方式处理不同类型的对象。通过理解和恰当使用多态，可以提高代码的复用性和灵活性，是面向对象程序设计的一个重要概念。