C++ 进阶：虚函数与多态原理

前言：在 C++ 的面向对象体系中，继承与多态是绕不开的核心。很多人知道 "虚函数能实现多态"，但对其底层的实现细节却知之甚少：为什么调用虚函数会走动态绑定？虚函数表（vftable）和虚指针（vfptr）在内存中如何布局？VS 环境下多重继承的虚表又有哪些特殊规则？

本文将从基础概念出发，结合 VS 调试、内存布局图解，一步步拆解 C++ 多态的底层实现，帮你从 "会用" 升级到 "吃透"。

多态

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)和运行时多态(动态多态)。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。

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"。

多态的定义及实现

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。

实现多态还有两个必须重要条件：

• 必须是基类的指针或者引用调用虚函数

• 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。

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。

cpp 复制代码

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

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。

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。

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;

}

cpp 复制代码

class Animal
{
public:
virtual void talk() const
{}
};
class Dog : public Animal
{
public:
virtual void talk() const
{
std::cout << "汪汪" << std::endl;
}
};
class Cat : public Animal
{
public:
virtual void talk() const
{
std::cout << "(>^ω^<)喵" << std::endl;
}
};
void letsHear(const Animal& animal)
{
animal.talk();
}
int main()
{
Cat cat;
Dog dog;
letsHear(cat);
letsHear(dog);
return 0;
}

以下程序输出结果是什么（B）

A: A->0 B: B->1 C: A->1 D: B->0 E: 编译出错 F: 以上都不正确

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;
}

为什啥选b呢，这里虚函数构成多态，C++有个严格的规定

虚函数的函数体是动态绑定（调用子类），但默认参数是静态绑定（用父类）！

也就是说默认值按照父类的参数、父类的参数是静态的，多态是函数返回值、函数名、参数类型一致就是多态。

最核心规则

父类函数里调用虚函数：

函数体 = 子类

默认参数 = 父类

谁也改不了！

虚函数重写的一些其他问题

协变(了解)

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:
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;
}

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修饰，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delete p2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。

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。

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Student的析构函数重写了Person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;
}

它会析构三次，先析构p1 在析构p2 然后在析构p1，因为继承的缘故先析构子类、然后在析构父类

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，可以帮助用户检测是否重写。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; }
};
int main()
{
return 0;
}

// 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; }
};
int main()
{
   return 0;
}

重载/重写/隐藏的对比

注意：这个概念对比经常考，大家得理解记忆一下

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

class Car
{
public:
virtual void Drive() = 0;
};
class Benz :public Car
{
public:
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;
}