多态
引言
多态（Polymorphism）是面向对象程序设计的核心特性，指同一接口，多种实现。C++中的多态主要分为两类：
-
编译时多态（静态多态）
- 通过函数重载 和模板实现
- 函数调用在编译期确定（早期绑定/静态联编）
- 基于参数类型或个数区分同名函数
-
运行时多态（动态多态）
- 通过继承 和虚函数实现
- 函数调用在运行期确定（晚绑定/动态联编）
- 根据对象的实际类型调用对应函数
静态多态
函数重载
函数重载允许在同一作用域 中声明多个同名函数 ，但这些函数的参数列表必须不同。
参数列表不同的具体体现：
- 参数个数不同
- 参数类型不同
- 参数顺序不同
注意： 不能仅通过返回值类型来区分重载函数。
实现原理
C++通过函数名修饰机制支持函数重载，而C语言不支持此特性。
编译过程概述：
- 预编译：将头文件中的函数声明拷贝到源文件中，避免编译时找不到函数定义。
- 编译 ：进行语法分析，并符号汇总，生成符号表。
- 汇编 ：生成函数名到函数地址的映射，便于后续调用时定位函数定义位置。
- 链接：将多个目标文件的符号表汇总合并。
函数名修饰的核心流程：
- 在编译和汇编阶段 ，编译器根据函数名、参数类型等信息对函数名进行修饰，生成唯一的符号名。
- 不同参数列表的同名函数会被修饰成不同的符号，从而在符号表中区分。
- 示例（GCC编译器）：
int sum(int a, int b)→_Z3sumiidouble sum(double a, double b)→_Z3sumdd
- 修饰规则通常包含：
- 前缀（如
_Z） - 函数名长度 + 函数名
- 参数类型首字母（int→i, double→d, 类类型→类名等）
- 前缀（如
模板
模板（template）是 C++ 实现静态多态（编译时多态）的核心机制之一。
其本质是编译器根据模板参数在编译期生成具体代码，从而实现"同一套代码逻辑，适配多种不同类型"的多态行为。
核心原理
模板不是代码，而是代码生成器
- 函数模板 或 类模板 本身不会被编译成任何可直接执行的代码。
- 它只是一个蓝图 ，告诉编译器：当遇到对特定模板参数的使用时，请按此蓝图生成一份具体的代码。
模板实例化
- 当程序使用模板并提供具体类型参数 时，编译器会执行模板实例化。
- 实例化过程：
- 模板参数推导 ：根据函数实参或显式指定的类型，确定模板参数
T的具体类型。 - 模板代码替换 ：将模板定义中所有
T替换为实际类型，生成一份完整的普通函数或普通类。 - 编译生成的代码：对生成的普通代码执行常规编译。
- 模板参数推导 ：根据函数实参或显式指定的类型，确定模板参数
编译期绑定
- 对同一模板函数 ，为不同模板参数实例化出的多个函数，拥有完全不同的函数签名和函数地址。
- 调用时，编译器通过重载决议 或模板参数匹配 ，静态地选择调用哪个实例化版本。
- 所有决策在编译期完成，无运行时开销。
示例
cpp
template<typename T>
T max(T a, T b) {
return a > b ? a : b;
}
int main() {
int i = max(3, 5); // (1) 实例化为 int max(int, int)
double d = max(3.14, 2.71); // (2) 实例化为 double max(double, double)
char c = max('a', 'z'); // (3) 实例化为 char max(char, char)
}编译器实际生成的代码（概念性）：
cpp
int max_int(int a, int b) { return a > b ? a : b; }
double max_double(double a, double b) { return a > b ? a : b; }
char max_char(char a, char b) { return a > b ? a : b; }多态体现 ：同一 max 名称，对三种不同类型生成三个不同函数，调用时根据参数类型静态绑定到对应版本。
运行时多态
虚函数相关
用关键字 virtual 修饰的非静态成员函数 称为虚函数。一旦基类将某个函数声明为 virtual，所有派生类中与该函数同名、同参数列表、同返回值 的函数自动成为虚函数。
派生类重新定义基类的虚函数称为重写（override） 。
作用 ：通过基类指针或引用调用该函数时，实际执行的是对象所属派生类的版本。
纯虚函数 ：在虚函数声明末尾添加 = 0，如：
cpp
virtual void breathe() = 0;纯虚函数表示该函数在当前类中没有实现，要求派生类必须提供实现。
注：纯虚函数也可以提供函数体，但需要定义在类外；通常仅用于特殊场景（如析构函数）。
静态绑定与动态绑定
静态绑定（早绑定）
- 编译阶段就确定了函数调用的目标地址。
- 依据指针/引用的静态类型决定调用哪个函数。
- 例（无虚函数）：
cpp
class Animal {
public:
void breathe() { cout << "animal breathe" << endl; }
};
class Fish : public Animal {
public:
void breathe() { cout << "fish bubble" << endl; }
};
Fish fh;
Animal* p = &fh; // 静态类型为 Animal*
p->breathe(); // 输出 "animal breathe"原因 ：p 被声明为 Animal*，编译器按此类型直接绑定 Animal::breathe()。
动态绑定（晚绑定）
- 运行阶段根据对象的实际类型动态决定调用的函数。
- 要求：通过基类指针或引用调用虚函数。
- 例（有虚函数）：
cpp
class Animal {
public:
virtual void breathe() { cout << "animal breathe" << endl; }
};
class Fish : public Animal {
public:
void breathe() override { cout << "fish bubble" << endl; }
};
Fish fh;
Animal* p = &fh; // 静态类型 Animal*，实际指向 Fish 对象
p->breathe(); // 输出 "fish bubble"动态绑定原理
虚函数表（vtable）与虚指针（vptr）
动态绑定的底层依赖虚函数表（Virtual Table） 和虚指针（Virtual Pointer）。
虚函数表（vtable）
- 每个包含虚函数的类（或从包含虚函数的类派生的类）都有一个虚函数表。
- 本质 ：一个一维数组 ，按声明顺序存放该类所有虚函数的地址（包括继承自基类的虚函数和自身新增的虚函数）。
- 继承时的虚表内容 ：
- 若派生类重写 了基类的虚函数，则虚表中对应位置的地址替换为派生类函数地址。
- 若派生类新增虚函数，则将其地址添加在虚表末尾。
- 若派生类未重写 基类虚函数，则虚表中保存基类该函数的地址。
虚指针（vptr）
- 每个含有虚函数的类的对象 中，编译器会隐式插入一个指针 ，称为
vptr。 vptr指向该对象所属类的虚函数表。- 同一类的所有对象共享同一个虚表，但每个对象拥有自己独立的
vptr（指向同一虚表）。
!NOTE\] \[\[为什么每个对象拥有自己独立的 vptr ？\]
参考文章：