【C++多态】虚函数/虚表机制与协变 、override和final关键字全解析

爱和冰阔落2025-10-21 13:25

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文章目录

  • 前言
  • 一、多态的概念
  • 二、多态的定义及实现
    • [2.1 多态的构成条件](#2.1 多态的构成条件)
    • [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 虚函数重写的其他问题](#2.4 虚函数重写的其他问题)
    • [2.5 实现多态的两个重要条件](#2.5 实现多态的两个重要条件)
    • [2.6 override 和 final关键字](#2.6 override 和 final关键字)
    • [2.7 重载 / 重写 / 隐藏的对比](#2.7 重载 / 重写 / 隐藏的对比)
  • 三、纯虚函数和抽象类
  • 四、多态的原理
    • [4.1 虚函数表指针](#4.1 虚函数表指针)
    • [4.2 多态是如何实现的](#4.2 多态是如何实现的)
    • [4.3 动态绑定与静态绑定](#4.3 动态绑定与静态绑定)
    • [4.4 虚函数表](#4.4 虚函数表)
  • 总结

前言

在前面我们已经学完了三大特性的两个，今天我们便走进继承，感受其中的奥妙，学完本文你将攻克面向对象的关卡！！！

一、多态的概念

多态(polymorphism)的概念：通俗来说，就是多种形态 。多态分为编译时多态(静态多态)和运⾏时多态(动态多态)，这⾥我们重点讲运⾏时多态。编译时多态 (静态多态)主要就是我们前⾯讲的函数重载和函数模板，他们传不同类型的参数就可以调⽤不同的函数，通过参数不同达 到多种形态，之所以叫编译时多态，是因为他们实参传给形参的参数匹配是在编译时完成的，我们把编译时⼀般归为静态，运⾏时归为动态。

举个简单的例子，在调用swap函数时，传int和double两个类型，看似调用的是底层一样的swap函数，本质是swap模板在编译时实例化两个函数(函数重载)，也就是说调用swap产生了多种形态，这便是多态的定义

运⾏时多态，具体点就是去完成某个⾏为(函数)，可以传不同的对象就会完成不同的⾏为，就达到多种形态。⽐如买票这个⾏为，当普通⼈买票时，是全价买票；学⽣买票时，是优惠买票(5折或75折)；军⼈买票时是优先买票。再⽐如，同样是动物叫的⼀个⾏为(函数)，传猫对象过去，就是"(>ω<)喵"，传狗对象过去，就是"汪汪"。

二、多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

多态是⼀个继承关系的下的类对象，去调⽤同⼀函数，产⽣了不同的⾏为。⽐如Student继承了Person。Person对象买票全价，Student对象优惠买票

2.2 虚函数

类成员函数前面加virtual修饰，那么这个成员函数被称为虚函数。注意非成员函数不能加virtual修饰，在继承为了解决菱形继承而设计的虚继承使用的关键字virtual和这里的函数的含义并不相关，可以理解为，一词两用

cpp 复制代码 
class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
};

2.3 虚函数的重写/覆盖

虚函数的重写/覆盖：派⽣类中有⼀个跟基类完全相同的虚函数(即派⽣类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)，称派⽣类的虚函数重写了基类的虚函数。

cpp 复制代码 
class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
};

class Student : public Person {
public:
  //重写
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-打折" << endl;
	}
};

注意：在重写基类虚函数时，派⽣类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因为继承后基类的虚函数被继承下来了在派⽣类依旧保持虚函数属性)，但是该种写法不是很规范，不建议这样使⽤，不过在考试选择题中，经常会故意买这个坑，让你判断是否构成多态

2.4 虚函数重写的其他问题

协变：

派⽣类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型不同。即必须是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。协变的实际意义并不⼤，所以我们了解⼀下即可

cpp 复制代码 
class A {};

class B : public A {};

class Person {
public:
	virtual A* BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
		return nullptr;
	}
};

class Student : public Person {
public:
//返回值不同
	virtual B* BuyTicket()
	{
		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;

}

协变也构成多态

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，虽然基类与派⽣类析构函数名字不同看起来不符合重写的规则，实际上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，所以基类的析构函数加了vialtual饰，派⽣类的析构函数就构成重写。

下⾯的代码我们可以看到，如果~A()，不加virtual，那么deletep2时只调⽤的A的析构函数，没有调⽤

B的析构函数，就会导致内存泄漏问题，因为~B()中在释放资源

cpp 复制代码 
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];
};
// 只有派⽣类B的析构函数重写了A的析构函数，下⾯的delete对象调⽤析构函数，才能
//构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确的调⽤析构函数。
int main()
{
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new B;
	delete p1;
	delete p2;
	return 0;
}

delete p1会触发析构函数的调用，先析构A，再调用delete p2进行析构子类构成了多态，B是由子类和父类成员构成，因此会先调用子类的析构再调用父类的析构函数。在这种场景下，只有析构函数构成多态才可以释放A和B的资源，所以析构函数的名字被处理成destructor，所以A和B析构函数构成隐藏

注意：这个问题⾯试中经常考察，⼤家⼀定要结合类似下⾯的样例才能讲清楚，为什么基类中的析构

函数建议设计为虚函数

2.5 实现多态的两个重要条件

  1. 必须是父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：要实现多态效果，第⼀必须是基类的指针或引⽤，因为只有基类的指针或引⽤才能既指向基类对象⼜指向派⽣类对象；第⼆派⽣类必须对基类的虚函数完成重写/覆盖，重写或者覆盖了，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

cpp 复制代码 
class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
};

class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-打折" << endl;
	}
};

void Func(Person* ptr)//这里必须是基类的原因便是既可以传父类也可以传子类（切片原理）
{
	// 这⾥可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket 
	// 但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。 
	ptr->BuyTicket();
}

int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	Func(&ps);
	Func(&st);
	return 0;
}

这便是多态，指向哪个对象调用哪个，如果没有满足两个条件便无法形成多态，那么函数便是看类型，在这里Func函数的类型是Person，那么均调用Person的

下面我们来看一道笔试题：D

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;
 }

分析：首先A和B构成了继承，其次Func是虚函数，在类型B中构成了重写（函数名，返回值，参数列表相同，参数列表这里也是相同的，只看类型------int），p调用test函数走的时继承，那么就将p的指针传给了test中的this，那么是否是B*，显然有坑，那么为什么是A*？其次是test中调用Func是构成多态的，因为test传的是父类的指针A*，其次子类B进行了虚函数的重写，那么就构成了多态，即调用的是B的Func，那么答案是D吗，不不不，来看下打印结果

是不是很有趣，这里就要提到重写虚函数的本质是重写函数体中的内容，因此在调用B中的Func中不用其的缺省值，而是A类中的val=1

那么p->func()的结果是什么，虽然构成了虚函数堆重写，但是并不是基类的指针调用虚函数，因此答案是D

补充：成员函数的归属决定了this的类型：

  1. 对于类A的成员函数（包括test()），其内部的this指针类型固定为A* const（指向A类型的常量指针），无论这个函数是被基类对象调 还是派生类对象调用。
  2. 即使通过B指针调用A的test()函数，test()函数本身仍属于A，因此其内部的this指针类型依然是A（只不过此时this实际指向的是一个B类型的对象，即 "基类指针指向派生类对象" 的向上转型）

2.6 override 和 final关键字

从上⾯可以看出，C++对虚函数重写的要求⽐较严格，但是有些情况下由于疏忽，⽐如函数名写错参数写错等导致⽆法构成重写，⽽这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运⾏时没有得到预期结果才来debug会得不偿失，因此C++11提供了override，可以帮助⽤⼾检测是否重写。如果我们不想让派⽣类重写这个虚函数，那么可以⽤final去修饰

cpp 复制代码 
// error C3668: "Benz::Drive": 包含重写说明符"override"的⽅法没有重写任何基类⽅法 
class Car {
public:
	virtual void Dirve()
	{
	}
};
class Benz :public Car {
public:
	virtual void Drive() override { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};

// error C3248: "Car::Drive": 声明为"final"的函数⽆法被"Benz::Drive"重写 
class Car
{
public:
 virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
 virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; }
};

2.7 重载 / 重写 / 隐藏的对比

三、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(实现函数体没啥意义因为要被派⽣类重写，但是语法上可以实现)，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

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

class Benz :public Car
{
public:
	//如果不重写纯虚函数，则对象无法定义，也是抽象类，因此需要重写
	virtual void Drive()
	{
		cout << "Benz-舒适" << endl;
	}
};

class BMW :public Car
{
public:
	virtual void Drive()
	{
		cout << "BMW-操控" << endl;
	}
};


int main()
{
	// 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;

}

四、多态的原理

4.1 虚函数表指针

我们先看一道经典的题目：

cpp 复制代码 
class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
protected:
	int _b = 1;
	char _ch = 'x';
};
int main()
{
	Base b;
	cout << sizeof(b) << endl;
	return 0;
}

在前面介绍过了内存对齐，第一眼看，32位下，int=4字节，char=1字节，再将整体内存对齐，八个字节，是不想秒选C呀。

上⾯题⽬运⾏结果12bytes，除了_b和_ch成员，还多⼀个__vfptr放在对象的前⾯(注意有些平台可能会放到对象的最后⾯，这个跟平台有关)，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual，f代表function)。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

因此，虚表指针四个字节和int，char对齐为12个字节

为了验证只有虚函数表指针会存放在类中

cpp 复制代码 
virtual void Func1()
{
	cout << "Func1()" << endl;
}
virtual void Func2()
{
	cout << "Func1()" << endl;
}
 void Func3()
{
	cout << "Func1()" << endl;
}

调试窗口我们看到只有func1和func2

4.2 多态是如何实现的

从底层的⻆度Func函数中ptr->BuyTicket()，是如何作为ptr指向Person对象调⽤Person::BuyTicket，ptr指向Student对象调⽤Student::BuyTicket的呢？通过下图我们可以看到，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。第⼀张图，ptr指向的Person对象，调⽤的是Person的虚函数；第⼆张图，ptr指向的Student对象，调⽤的是Student的虚函数。

cpp 复制代码 
class Person
{
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
	}
protected:
	string _name;

};


class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "买票-打折" << endl;
	}
protected:
	string _id;
};

class  Soldier :public Person
{
public:
	virtual void  BuyTicket()
	{
		cout << "买票-优先" << endl;
	}

protected:
	string _codename;//代号
};

void Func(Person* ptr)
{
	 //这⾥可以看到虽然都是Person指针Ptr在调⽤BuyTicket 
	 //但是跟ptr没关系，⽽是由ptr指向的对象决定的。 
	ptr->BuyTicket();
}

int main()
{
	Person ps;
	Student st;
	Soldier sr;

	Func(&ps);
	Func(&st);
	Func(&sr);

	return 0;
}

调试演示：

Func中怎么做到指向谁调用谁？指向哪个对象，运行是，到指向对象的虚函数表中找到对应的虚函数地址，进行调用

4.3 动态绑定与静态绑定

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

4.4 虚函数表

  1. 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

  2. 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。但是要注意的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，就像基类对象的成员和派⽣类对象中的基类对象成员也独⽴的

  3. 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

cpp 复制代码 
class Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
	 void func5()
	{
		cout << "Func1()" << 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 b1;
	Base b2;

	Derive d;

	return 0;
}

在Derive的虚表中会将重写的fun1的虚函数地址进行覆盖

  1. 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，派⽣类⾃⼰的虚函数地址三个部分

  2. 虚函数表本质是⼀个存虚函数指针的指针数组，⼀般情况这个数组最后⾯放了⼀个0x00000000标记。(这个C++并没有进⾏规定，各个编译器⾃⾏定义的，vs系列编译器会再后⾯放个0x00000000标记，g++系列编译不会放)

  3. 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（面试题）

  4. 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。vs下是存在代码段(常量区)

总结

坚持到这里，已经很棒啦，希望读完本文可以帮读者大大更好了解多态的内容！！！如果喜欢本文的可以给博主点点免费的攒攒，你们的支持就是我前进的动力🎆

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