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多态是 C++ 面向对象编程的核心特性之一，它允许不同对象对同一消息作出不同响应。理解多态不仅能写出更灵活的代码，也是面试中的高频考点。本文将从概念、实现条件、关键特性到底层原理，全面剖析 C++ 多态的精髓。
1. 多态的概念
多态（polymorphism）字面意思是 "多种形态"，在 C++ 中分为两类：
- 编译时多态：通过函数重载和函数模板实现，编译器在编译阶段根据参数类型匹配相应函数，属于静态多态。
- 运行时多态：程序运行时根据传递的对象类型决定调用哪个函数，这是本文的重点。
运行时多态的经典案例：
- 买票行为：普通人全价、学生半价、军人优先
- 动物叫行为：猫 "喵"、狗 "汪"
//买票的多态实例
class Person
{
public:
virtual void BuyTicket()
{
cout << "买票-全价" << endl;
}
};
class Student : public Person
{
public:
virtual void BuyTicket() //可以不加virtual 不规范
{
cout << "买票-半价" << endl;
}
};
void Func(Person& ptr) //基类的引用或指针
{
ptr.BuyTicket();
}
// 动物叫的多态示例
class Animal {
public:
virtual void talk() const {}
};
class Dog : public Animal {
public:
virtual void talk() const { cout << "汪汪" << endl; }
};
class Cat : public Animal {
public:
virtual void talk() const { cout << "喵" << endl; }
};
// 同一函数接收不同对象，表现不同行为
void letsHear(const Animal& animal) {
animal.talk();
}
2. 多态的定义及实现
2.1 多态的构成条件
多态需满足继承关系基础上的两个核心条件：
class Person {
public:
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
};
class Student : public Person {
public:
// 重写基类虚函数
virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }
};
// 基类引用调用虚函数，满足多态条件
void Func(Person& people) {
people.BuyTicket();
}
int main() {
Person p;
Student s;
Func(p); // 输出"买票-全价"
Func(s); // 输出"买票-半价"
}
2.2 虚函数与重写
- 虚函数：用
virtual修饰的类成员函数（非成员函数不能用virtual）。 - 重写规则：派生类虚函数需与基类虚函数的函数名、参数列表、返回值完全一致（协变除外）。
注意：派生类重写时可省略
virtual（不推荐），但仍视为虚函数。
特殊重写场景：
协变：返回值可改为基类 / 派生类的指针 / 引用（需满足继承关系）
class A {}; class B : public A {}; class Person { public: virtual A* BuyTicket() { return nullptr; } // 基类指针 }; class Student : public Person { public: virtual B* BuyTicket() { return nullptr; } // 派生类指针（协变） };析构函数重写：基类析构函数为虚函数时，派生类析构函数自动视为重写（编译器统一处理析构函数名为
destructor）class A { public: virtual ~A() { cout << "~A()" << endl; } // 虚析构 }; class B : public A { public: ~B() { cout << "~B()" << endl; } // 自动重写 }; // 正确释放派生类资源，避免内存泄漏 int main() { A* p = new B; delete p; // 先调用~B()，再调用~A() }2.3 关键字：override 与 final
- override：强制检查派生类函数是否重写基类虚函数，未重写则编译报错。
- final：修饰虚函数时，禁止派生类重写该函数；修饰类时，禁止被继承。
// C++11提供了override，可以帮助⽤⼾检测是否重写。 class Car { public: virtual Dirve() {} }; class Benz : public Car { public: virtual Dirve() override { cout << "Benz-舒适" << endl; } }; int main() { return 0; }class Car { public: virtual void Drive() final {} // 禁止重写 }; class Benz : public Car { public: virtual void Drive() {} // 编译报错：无法重写final函数 };3. 纯虚函数与抽象类
- 纯虚函数：在虚函数后加
=0，无需实现（语法允许实现但无意义）。 - 抽象类：包含纯虚函数的类，不能实例化对象，派生类需重写纯虚函数才能实例化。
class Car { public: virtual void Drive() = 0; // 纯虚函数 }; class Benz : public Car { public: virtual void Drive() { cout << "Benz-舒适" << endl; } // 重写后可实例化 }; int main() { // Car car; // 报错：抽象类不能实例化 Car* p = new Benz; // 正确 p->Drive(); }4. 多态的底层原理
4.1 虚函数表指针（_vfptr）
含有虚函数的类，其对象会额外包含一个虚函数表指针（
_vfptr），指向虚函数表（简称虚表）。虚表是存储虚函数地址的指针数组，同类型对象共享同一张虚表。
class Base {
public:
virtual void Func1() { cout << "Func1()" << endl; }
protected:
int _b = 1;
char _ch = 'x';
};
int main() {
Base b;
cout << sizeof(b) << endl; // 32位下为12字节（4字节指针 + 4字节int + 4字节对齐）
}
4.2 动态绑定与静态绑定
- 静态绑定：编译时确定函数调用地址（非虚函数或不满足多态条件时）。
- 动态绑定：运行时通过对象的虚表查找函数地址（满足多态条件时）。
虚表结构示例：
- 基类虚表：存储基类所有虚函数地址。
- 派生类虚表：先复制基类虚表，再用派生类重写的虚函数地址覆盖对应位置，最后添加派生类自身的虚函数地址。
5. 常见面试题解析
问题：以下程序输出结果是？
class A {
public:
virtual void func(int val = 1) { cout << "A->" << val << endl; }
virtual void test() { func(); }
};
class B : public A {
public:
void func(int val = 0) { cout << "B->" << val << endl; }
};
int main() {
B* p = new B;
p->test(); // 输出：B->1
}解析：
test()是基类函数，调用func()时满足多态，实际调用派生类B::func。- 虚函数重写仅覆盖函数体（即函数的实现），默认参数仍使用基类的（val=1），故输出
B->1。
6. 总结
多态是 C++ 面向对象的核心特性，通过虚函数重写和虚表机制实现，允许同一接口呈现不同行为。关键要点：
- 运行时多态需满足：基类指针 / 引用 + 虚函数重写。
- 虚表存储虚函数地址，派生类虚表覆盖基类重写函数地址。
- 基类析构函数建议设为虚函数，避免派生类资源泄漏。
- 抽象类通过纯虚函数强制派生类实现特定接口，提升代码规范性。
掌握多态不仅能写出更灵活的代码，也是理解 C++ 底层机制的重要一步。实际开发中，合理使用多态可显著提高代码的可扩展性和维护性。