C++的多態(tài)（Polymorphism）是面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）的三大核心特性之一（另外兩個(gè)是封裝和繼承），其核心思想是一個(gè)接口，多種實(shí)現(xiàn)，即同一操作作用于不同對(duì)象時(shí)，可產(chǎn)生不同的執(zhí)行結(jié)果。

多態(tài)讓代碼更靈活、可擴(kuò)展，是構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具。

一、多態(tài)的分類(lèi)

C++的多態(tài)分為兩類(lèi)：靜態(tài)多態(tài)（編譯時(shí)多態(tài)）和動(dòng)態(tài)多態(tài)（運(yùn)行時(shí)多態(tài)），二者的核心區(qū)別在于“確定調(diào)用哪個(gè)函數(shù)的時(shí)機(jī)”——前者在編譯期確定，后者在運(yùn)行期確定。

1. 靜態(tài)多態(tài)（編譯時(shí)多態(tài)）

靜態(tài)多態(tài)是通過(guò)函數(shù)重載或運(yùn)算符重載實(shí)現(xiàn)的，編譯器在編譯階段根據(jù)函數(shù)的參數(shù)列表（類(lèi)型、數(shù)量、順序）或運(yùn)算符的操作數(shù)類(lèi)型，確定具體要調(diào)用的函數(shù)。

示例：函數(shù)重載實(shí)現(xiàn)靜態(tài)多態(tài)

#include <iostream>
using namespace std;

// 重載：同一作用域內(nèi)，函數(shù)名相同，參數(shù)列表不同
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

double add(double a, double b) {  // 參數(shù)類(lèi)型不同
    return a + b;
}

int add(int a, int b, int c) {  // 參數(shù)數(shù)量不同
    return a + b + c;
}

int main() {
    cout << add(1, 2) << endl;       // 調(diào)用int add(int, int)
    cout << add(1.5, 2.5) << endl;   // 調(diào)用double add(double, double)
    cout << add(1, 2, 3) << endl;    // 調(diào)用int add(int, int, int)
    return 0;
}

編譯器在編譯時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)參的類(lèi)型和數(shù)量，自動(dòng)匹配到對(duì)應(yīng)的重載函數(shù)，這就是靜態(tài)多態(tài)的體現(xiàn)。

2. 動(dòng)態(tài)多態(tài)（運(yùn)行時(shí)多態(tài)）

動(dòng)態(tài)多態(tài)是C++多態(tài)的核心，它通過(guò)繼承+虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)，函數(shù)的具體調(diào)用在程序運(yùn)行時(shí)才確定，而非編譯時(shí)。這種機(jī)制讓基類(lèi)的指針/引用可以靈活指向不同派生類(lèi)對(duì)象，并調(diào)用對(duì)應(yīng)派生類(lèi)的實(shí)現(xiàn)。

核心條件：

• 必須存在繼承關(guān)系（基類(lèi)與派生類(lèi)）；
• 基類(lèi)中聲明虛函數(shù)（用virtual關(guān)鍵字修飾）；
• 派生類(lèi)重寫(xiě)（override）基類(lèi)的虛函數(shù)（函數(shù)名、參數(shù)列表、返回值必須完全一致，協(xié)變返回類(lèi)型除外）；
• 通過(guò)基類(lèi)的指針或引用調(diào)用虛函數(shù)。

二、動(dòng)態(tài)多態(tài)的實(shí)現(xiàn)原理

動(dòng)態(tài)多態(tài)的核心是虛函數(shù)表（vtable） 和虛指針（vptr），這是編譯器在背后自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的機(jī)制。

1. 虛函數(shù)表（vtable）

• 當(dāng)一個(gè)類(lèi)中聲明了虛函數(shù)（或繼承了虛函數(shù)），編譯器會(huì)為該類(lèi)生成一個(gè)虛函數(shù)表（本質(zhì)是一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組），存儲(chǔ)該類(lèi)所有虛函數(shù)的地址。
• 若派生類(lèi)重寫(xiě)了基類(lèi)的虛函數(shù)，派生類(lèi)的虛函數(shù)表中會(huì)用自己的函數(shù)地址覆蓋基類(lèi)對(duì)應(yīng)虛函數(shù)的地址；未重寫(xiě)的虛函數(shù)，地址仍指向基類(lèi)的實(shí)現(xiàn)。

2. 虛指針（vptr）

• 每個(gè)含有虛函數(shù)的類(lèi)的對(duì)象，都會(huì)隱含一個(gè)虛指針（vptr），指向該類(lèi)的虛函數(shù)表（vtable）。
• 當(dāng)通過(guò)基類(lèi)指針/引用調(diào)用虛函數(shù)時(shí)，程序會(huì)通過(guò)對(duì)象的vptr找到對(duì)應(yīng)的vtable，再?gòu)膙table中取出函數(shù)地址并調(diào)用，這個(gè)過(guò)程在運(yùn)行時(shí)完成（動(dòng)態(tài)綁定）。

示例：動(dòng)態(tài)多態(tài)的直觀體現(xiàn)

#include <iostream>
using namespace std;

// 基類(lèi)：形狀
class Shape {
public:
    // 虛函數(shù)：繪制
    virtual void draw() {  // 用virtual聲明為虛函數(shù)
        cout << "繪制基礎(chǔ)形狀" << endl;
    }
    
    // 虛析構(gòu)函數(shù)（避免內(nèi)存泄漏）
    virtual ~Shape() {}
};

// 派生類(lèi)：圓形（繼承Shape）
class Circle : public Shape {
public:
    // 重寫(xiě)基類(lèi)的draw()
    void draw() override {  // override關(guān)鍵字顯式聲明重寫(xiě)（C++11）
        cout << "繪制圓形" << endl;
    }
};

// 派生類(lèi)：矩形（繼承Shape）
class Rectangle : public Shape {
public:
    // 重寫(xiě)基類(lèi)的draw()
    void draw() override {
        cout << "繪制矩形" << endl;
    }
};

// 統(tǒng)一接口：接收基類(lèi)引用，調(diào)用draw()
void render(Shape& shape) {
    shape.draw();  // 運(yùn)行時(shí)根據(jù)實(shí)際對(duì)象類(lèi)型，調(diào)用對(duì)應(yīng)draw()
}

int main() {
    Circle circle;
    Rectangle rectangle;
    
    render(circle);    // 輸出：繪制圓形（實(shí)際是Circle對(duì)象）
    render(rectangle); // 輸出：繪制矩形（實(shí)際是Rectangle對(duì)象）
    
    // 基類(lèi)指針指向派生類(lèi)對(duì)象
    Shape* shape1 = new Circle();
    Shape* shape2 = new Rectangle();
    
    shape1->draw();  // 輸出：繪制圓形
    shape2->draw();  // 輸出：繪制矩形
    
    delete shape1;   // 虛析構(gòu)函數(shù)確保派生類(lèi)析構(gòu)被調(diào)用
    delete shape2;
    return 0;
}

運(yùn)行機(jī)制解析：

• Shape類(lèi)有虛函數(shù)draw()，編譯器為其生成vtable，存儲(chǔ)Shape::draw()的地址。
• Circle和Rectangle繼承Shape并重寫(xiě)draw()，它們的vtable中，draw()的地址被替換為各自的實(shí)現(xiàn)（Circle::draw()和Rectangle::draw()）。
• 當(dāng)render函數(shù)接收Circle或Rectangle對(duì)象的引用時(shí)（本質(zhì)是基類(lèi)引用指向派生類(lèi)對(duì)象），調(diào)用draw()時(shí)會(huì)通過(guò)對(duì)象的vptr找到對(duì)應(yīng)vtable，最終執(zhí)行派生類(lèi)的實(shí)現(xiàn)——這就是運(yùn)行時(shí)多態(tài)。

三、重寫(xiě)（Override）的細(xì)節(jié)

派生類(lèi)重寫(xiě)基類(lèi)虛函數(shù)時(shí)，必須滿足以下條件（否則可能變成“隱藏”而非“重寫(xiě)”）：

函數(shù)名、參數(shù)列表完全相同：參數(shù)的類(lèi)型、數(shù)量、順序必須一致（若參數(shù)不同，會(huì)變成派生類(lèi)的新函數(shù)，隱藏基類(lèi)函數(shù)）。

返回值類(lèi)型相同：除非是“協(xié)變返回類(lèi)型”（即基類(lèi)虛函數(shù)返回基類(lèi)指針/引用，派生類(lèi)重寫(xiě)函數(shù)返回派生類(lèi)指針/引用）。

class Base {};
class Derived : public Base {};

class A {
public:
    virtual Base* func() { return new Base(); }  // 基類(lèi)返回Base*
};

class B : public A {
public:
    Derived* func() override { return new Derived(); }  // 派生類(lèi)返回Derived*（協(xié)變）
};

基類(lèi)函數(shù)必須是虛函數(shù)：若基類(lèi)函數(shù)未用virtual修飾，派生類(lèi)即使同名同參，也只是“隱藏”基類(lèi)函數(shù)，而非重寫(xiě)（無(wú)法觸發(fā)多態(tài)）。

訪問(wèn)權(quán)限不影響多態(tài)：即使派生類(lèi)重寫(xiě)的函數(shù)是private，通過(guò)基類(lèi)指針/引用調(diào)用時(shí)仍能正常觸發(fā)（因?yàn)樵L問(wèn)權(quán)限檢查在編譯期，多態(tài)調(diào)用在運(yùn)行期）。

四、純虛函數(shù)與抽象類(lèi)

為了強(qiáng)制派生類(lèi)必須實(shí)現(xiàn)某些功能（如“所有形狀都必須能繪制”），C++引入純虛函數(shù)和抽象類(lèi)：

• 純虛函數(shù)：在虛函數(shù)聲明后加=0，表示該函數(shù)沒(méi)有默認(rèn)實(shí)現(xiàn)，必須由派生類(lèi)重寫(xiě)。
• 抽象類(lèi)：包含純虛函數(shù)的類(lèi)（或繼承純虛函數(shù)且未重寫(xiě)的類(lèi)），不能實(shí)例化對(duì)象，只能作為基類(lèi)被繼承。

示例：抽象類(lèi)與純虛函數(shù)

class Shape {
public:
    // 純虛函數(shù)：強(qiáng)制派生類(lèi)實(shí)現(xiàn)draw()
    virtual void draw() = 0;  // =0表示純虛函數(shù)
    
    virtual ~Shape() {}  // 抽象類(lèi)也需要虛析構(gòu)
};

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override {  // 必須重寫(xiě)，否則Circle也是抽象類(lèi)
        cout << "繪制圓形" << endl;
    }
};

int main() {
    // Shape s;  // 錯(cuò)誤：抽象類(lèi)不能實(shí)例化
    Shape* shape = new Circle();  // 正確：基類(lèi)指針指向派生類(lèi)對(duì)象
    shape->draw();  // 輸出：繪制圓形
    delete shape;
    return 0;
}

抽象類(lèi)的核心作用是定義“接口規(guī)范”，確保派生類(lèi)遵循統(tǒng)一的行為契約（如Shape規(guī)定“必須能繪制”，所有派生類(lèi)都必須實(shí)現(xiàn)draw()）。

五、多態(tài)的應(yīng)用與優(yōu)勢(shì)

1. 提高代碼復(fù)用性：通過(guò)基類(lèi)接口統(tǒng)一處理不同派生類(lèi)對(duì)象（如render函數(shù)無(wú)需為每個(gè)形狀單獨(dú)實(shí)現(xiàn)）。
2. 增強(qiáng)擴(kuò)展性：新增派生類(lèi)（如Triangle）時(shí)，無(wú)需修改現(xiàn)有接口代碼（如render），只需實(shí)現(xiàn)draw()即可，符合“開(kāi)閉原則”（對(duì)擴(kuò)展開(kāi)放，對(duì)修改關(guān)閉）。
3. 模擬現(xiàn)實(shí)世界的多樣性：現(xiàn)實(shí)中同一行為（如“繪制”）作用于不同對(duì)象（圓、矩形）會(huì)有不同結(jié)果，多態(tài)完美映射這種關(guān)系。

六、注意事項(xiàng)

析構(gòu)函數(shù)建議聲明為虛函數(shù)：當(dāng)通過(guò)基類(lèi)指針刪除派生類(lèi)對(duì)象時(shí)，若基類(lèi)析構(gòu)不是虛函數(shù)，會(huì)只調(diào)用基類(lèi)析構(gòu)而不調(diào)用派生類(lèi)析構(gòu)，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

class Base {
public:
    ~Base() { cout << "Base析構(gòu)" << endl; }  // 非虛析構(gòu)（危險(xiǎn)）
};

class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() { cout << "Derived析構(gòu)" << endl; }
};

int main() {
    Base* p = new Derived();
    delete p;  // 僅輸出"Base析構(gòu)"，Derived析構(gòu)未調(diào)用（內(nèi)存泄漏）
    return 0;
}

解決：將基類(lèi)析構(gòu)聲明為virtual ~Base() {}，確保派生類(lèi)析構(gòu)被調(diào)用。

避免在構(gòu)造/析構(gòu)函數(shù)中調(diào)用虛函數(shù)：構(gòu)造派生類(lèi)對(duì)象時(shí)，先調(diào)用基類(lèi)構(gòu)造函數(shù)，此時(shí)對(duì)象的動(dòng)態(tài)類(lèi)型仍為基類(lèi)，調(diào)用虛函數(shù)會(huì)執(zhí)行基類(lèi)版本；析構(gòu)時(shí)同理，可能導(dǎo)致不符合預(yù)期的結(jié)果。

虛函數(shù)表的開(kāi)銷(xiāo)：每個(gè)含虛函數(shù)的類(lèi)會(huì)增加vtable（靜態(tài)開(kāi)銷(xiāo)），每個(gè)對(duì)象會(huì)增加vptr（動(dòng)態(tài)內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)，通常為4/8字節(jié)），但相比多態(tài)帶來(lái)的靈活性，這種開(kāi)銷(xiāo)通常可接受。

C++的多態(tài)通過(guò)“靜態(tài)多態(tài)（重載）”和“動(dòng)態(tài)多態(tài)（虛函數(shù)）”實(shí)現(xiàn)，其中動(dòng)態(tài)多態(tài)是核心，依賴虛函數(shù)表和虛指針實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)綁定。它讓代碼更靈活、可擴(kuò)展，是構(gòu)建大型面向?qū)ο笙到y(tǒng)的基礎(chǔ)。

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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