【C++】多态 - 技术栈

[1. 多态的概念](#1. 多态的概念)

[2. 多态的定义和实现](#2. 多态的定义和实现)

[2.1 构成多态的条件](#2.1 构成多态的条件)

[2.2 虚函数](#2.2 虚函数)

[2.3 虚函数的重写（覆盖）](#2.3 虚函数的重写（覆盖）)

[2.4 小试牛刀](#2.4 小试牛刀)

[3. 重载/重写/隐藏的对比](#3. 重载/重写/隐藏的对比)

[4. 纯虚函数和抽象类](#4. 纯虚函数和抽象类)

5.多态的原理

[5.1 虚表](#5.1 虚表)

[5.2 虚表指针](#5.2 虚表指针)

[5.3 对比虚函数、虚表、虚表指针](#5.3 对比虚函数、虚表、虚表指针)

1. 多态的概念

多态（Polymorphism）是面向对象编程的三大基本特征（继承，多态，封装）之一，指的是同一操作作用于不同的对象，可以有不同的解释，产生不同的执行结果。

多态的字面意思是"多种形态"，在编程中表现为：

同一个接口，使用不同的实例而执行不同操作

同一消息可以根据发送对象的不同而采用多种不同的行为方式

2. 多态的定义和实现

2.1 构成多态的条件

●必须是基类指针或者引用调用虚函数

●被调用的函数必须是虚函数，并完成了虚函数的重写/覆盖

2.2 虚函数

基类中加virtual修饰的类成员函数就是虚函数。

如图中的shout函数：

2.3 虚函数的重写（覆盖）

派生类中有有一个与基类完全相同(即返回类型、函数名、参数列表完全相同)的虚函数，则称派生类的虚函数重写了基类的虚函数。

**注意：**重写虚函数时，派生类中的虚函数可以不加virtual关键字，也可以构成重写，因为这样也可以构成重写，因为基类的虚函数属性被派生类虚函数继承了，但是这种写法并不规范。

2.4 小试牛刀

下面我们来试着做一道题，加深我们对虚函数的理解

下面的程序输出结果是什么：

cpp 复制代码

 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(int argc ,char* argv[])
 {
 B*p = new B;
 p->test();
 return 0;
 }

解析：

p->test() 调用 A::test()（test() 是继承自 A 的虚函数，但未被 B 重写）。

A::test() 内部调用 func()，由于 func() 是虚函数且 p 指向 B 对象，实际调用 B::func()。

在 C++ 中，默认参数是静态绑定（编译时确定），而虚函数是动态绑定（运行时确定）。因此，当通过基类指针或引用调用虚函数时：调用的是派生类（实际对象类型）的重写版本。使用的是基类函数声明的默认值，而非派生类的默认值。

所以默认参数 val 的值来自 A::func() 的定义（val = 1），而非 B::func() 的 val = 0。

因此，执行 B::func(1)，输出 B->1。

3. 重载/重写/隐藏的对比

**重载：**两个函数在同一作用域；函数名相同，参数相同，参数类型或个数不同；返回值可同可不同

**重写（覆盖）：**两个函数分别在父类和子类不同作用域；函数名，参数，返回值必须相同，协变例外；两个函数都必须是虚函数

**隐藏：**两个函数分别在父类和子类不同作用域；函数名相同，只要不构成重写，就是隐藏；父子类的成员变量相同也是隐藏

4. 纯虚函数和抽象类

在虚函数后面加上=0，这类函数就是纯虚函数。纯虚函数语法上是可以定义实现的，但是也没必要，因为要被派生类重写，所以一般只需声明即可。

包含纯虚函数的类叫做抽象类，抽象类不能实例化出对象。如果派生类继承抽象类后不重写纯虚函数，那么派生类也是抽象类。

cpp 复制代码

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

//库里南
class Cullinan:public Car
{
public:
	virtual void Drive()
	{
		cout << "Cullinan" << endl;
	}
};

//宾利
class Bentley :public Car
{
public:
	virtual void Drive()
	{
		cout << "Bentley" << endl;
	}
};

int main()
{
	//Car car;//抽象类不能实例化

	Car* pC = new Cullinan;
	pC->Drive();

	Car* pB = new Bentley;
	pB->Drive();

	return 0;
}

5.多态的原理

5.1 虚表

虚表（vTable）：存储虚函数地址的表，每个类一份。

虚表是编译器为每个包含虚函数的类创建的一个隐藏数据结构，它是一个函数指针数组，存储了该类所有虚函数的实际地址。

虚表的特点包括：

每个具有虚函数的类都有自己的虚表

虚表在编译阶段生成，并存储在程序的只读数据段

派生类的虚表会继承基类的虚表内容，并替换掉被重写的虚函数地址

5.2 虚表指针

虚表指针（vptr）：每个对象内部隐藏的指针，指向所属类的虚表。

虚表指针特点：

在对象构造时被初始化，指向该对象所属类的虚表

通常位于对象内存布局的最前面

大小通常为一个指针的大小（32位系统4字节，64位系统8字节）

在VS2022中调试下列代码

cpp 复制代码

class animal
{
public:
	virtual void shout()
	{
		cout << "喊叫" << endl;
	}
};

class cat : public animal
{
public:
	virtual void shout()
	{
		cout << "喵喵" << endl;
	}
};

void say(animal& an)
{
	an.shout();
}

int main()
{
	animal a;
	cat c;
	say(a);
	say(c);
	return 0;
}