文章目录

C++ 多态详解（基础篇）前言第一章：多态的基本概念1.1 什么是多态1.2 多态的类型1.3 实现多态的条件

第二章：运行时多态（虚函数的使用）2.1 虚函数的基本概念2.1.1 虚函数的定义

2.2 虚函数的定义与用法（详细代码示例）2.3 虚函数表（VTable）的概念（基础介绍）2.4 纯虚函数与抽象类2.4.1 纯虚函数的定义2.4.2 抽象类

2.5 覆盖、隐藏与重载（易混淆点解析）2.6 协变（Covariance）2.6.1 协变的定义2.6.2 协变的使用示例

2.7 C++11 `override` 和 `final` 关键字2.7.1 `override` 关键字2.7.2 `final` 关键字

第三章：多态的应用场景与实践3.1 多态在设计模式中的应用3.2 多态与接口分离原则3.3 常见的多态错误与调试

第四章：总结与反思4.1 多态的优缺点分析4.1.1 优点4.1.2 缺点

4.2 进一步学习多态的推荐书籍与资源

写在最后

C++ 多态详解（基础篇）

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前言

多态（Polymorphism）是面向对象编程中的核心概念之一，也是 C++ 语言实现代码复用和灵活设计的基础。在 C++ 中，多态使得同一个接口可以指向不同的实现对象，从而实现灵活的程序设计。尤其是在继承体系较为复杂的场景中，多态能够让代码变得更具可扩展性和易维护性。本篇文章将带你深入理解 C++ 中多态的基础概念及其实现方法，帮助你掌握如何在实际项目中灵活运用多态。

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第一章：多态的基本概念

1.1 什么是多态

多态，即多种形态，在面向对象编程中意味着可以通过一个基类指针或引用调用不同派生类的成员函数。多态性使得对象可以被作为其基类类型进行操作，而在运行时实际调用的是派生类的实现。

1.2 多态的类型

在 C++ 中，多态主要分为两类：

编译时多态（静态多态）：在编译期间决定调用的函数。典型的例子包括函数重载、运算符重载和模板。运行时多态（动态多态）：在程序运行期间决定调用的函数。主要通过虚函数（virtual function）机制实现。

本篇重点在于运行时多态

1.3 实现多态的条件

要实现 C++ 中的运行时多态，需要满足以下条件：

继承：基类和派生类之间存在继承关系。虚函数：基类中的函数必须被声明为 <code>virtual，以便在派生类中可以对其进行重写。基类指针或引用：通过基类的指针或引用来指向派生类的对象。

示例代码：

#include <iostream>

using namespace std;

// 基类

class Animal { -- -->

public:

virtual void speak() {

cout << "Animal sound" << endl;

}

};

// 派生类1

class Dog : public Animal {

public:

void speak() override {

cout << "Woof!" << endl;

}

};

// 派生类2

class Cat : public Animal {

public:

void speak() override {

cout << "Meow!" << endl;

}

};

int main() {

Animal* animal1 = new Dog();

Animal* animal2 = new Cat();

animal1->speak(); // 输出 "Woof!"

animal2->speak(); // 输出 "Meow!"

delete animal1;

delete animal2;

return 0;

}

在上述示例中，通过基类 Animal 的指针指向不同派生类 Dog 和 Cat 的对象，实际调用的是 Dog 和 Cat 各自重写的 speak() 方法。这就是 C++ 中运行时多态的表现。

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第二章：运行时多态（虚函数的使用）

2.1 虚函数的基本概念

虚函数（Virtual Function）是实现 C++ 中运行时多态的核心。它允许派生类重写基类的函数，使得在程序运行时可以根据实际对象的类型来调用对应的函数版本。

2.1.1 虚函数的定义

在 C++ 中，虚函数通过 virtual 关键字进行声明：

class Base {

public:

virtual void display() {

cout << "Base display" << endl;

}

};

在这里，display() 被声明为虚函数。这样，任何派生类都可以重写这个函数，并在运行时通过基类指针或引用调用派生类的实现。

2.2 虚函数的定义与用法（详细代码示例）

一个完整的虚函数使用示例如下：

#include <iostream>

using namespace std;

class Shape {

public:

virtual void draw() {

cout << "Drawing a shape" << endl;

}

};

class Circle : public Shape {

public:

void draw() override {

cout << "Drawing a circle" << endl;

}

};

class Rectangle : public Shape {

public:

void draw() override {

cout << "Drawing a rectangle" << endl;

}

};

int main() {

Shape* shape1 = new Circle();

Shape* shape2 = new Rectangle();

shape1->draw(); // 输出 "Drawing a circle"

shape2->draw(); // 输出 "Drawing a rectangle"

delete shape1;

delete shape2;

return 0;

}

在这个例子中，通过基类 Shape 的指针 shape1 和 shape2，实际调用的是 Circle 和 Rectangle 中重写的 draw() 方法。C++ 会在运行时根据对象的实际类型决定调用哪个 draw()。

2.3 虚函数表（VTable）的概念（基础介绍）

虚函数表（VTable）是实现 C++ 运行时多态的底层机制。当一个类中含有虚函数时，编译器会为该类生成一个虚函数表。虚函数表中存储了指向该类虚函数的指针。

每个类对象包含一个指向虚函数表的指针，称为虚函数表指针（vptr）。在运行时，通过 vptr 指针找到虚函数表，再通过表中函数指针调用实际的函数。

这也是为什么使用虚函数会引入一定的性能开销，因为需要通过 vptr 间接查找到虚函数的实际地址。

2.4 纯虚函数与抽象类

2.4.1 纯虚函数的定义

纯虚函数是一种特殊的虚函数，它在基类中没有实现，仅仅是一个接口的声明。纯虚函数的定义形式如下：

class Base {

public:

virtual void show() = 0; // 纯虚函数

};

2.4.2 抽象类

抽象类：如果一个类中包含一个或多个纯虚函数，该类就是抽象类。抽象类不能直接实例化，只能作为其他类的基类。抽象类用于定义接口，派生类需要实现这些接口。

示例代码：

class Animal {

public:

virtual void speak() = 0; // 纯虚函数

};

class Dog : public Animal {

public:

void speak() override {

cout << "Woof!" << endl;

}

};

int main() {

Animal* dog = new Dog();

dog->speak(); // 输出 "Woof!"

delete dog;

return 0;

}

在这个例子中，Animal 是一个抽象类，因为它包含纯虚函数 speak()。Dog 类继承自 Animal 并实现了 speak() 函数，因此 Dog 可以实例化。

2.5 覆盖、隐藏与重载（易混淆点解析）

在多态中，理解覆盖、隐藏和重载的区别非常重要：

覆盖（Override）：派生类重新定义基类中声明为 virtual 的函数，函数签名相同。隐藏（Hide）：派生类定义了与基类同名但不同参数的函数。基类的函数被隐藏，除非使用作用域解析符。重载（Overload）：在同一作用域中定义多个函数，参数列表不同。

示例代码：

<code>class Base { -- -->

public:

virtual void show(int a) {

cout << "Base show with int: " << a << endl;

}

void hide() {

cout << "Base hide" << endl;

}

};

class Derived : public Base {

public:

void show(int a) override {

cout << "Derived show with int: " << a << endl;

}

void hide(int a) {

cout << "Derived hide with int: " << a << endl;

}

};

int main() {

Derived d;

d.show(10); // 输出 "Derived show with int: 10"

d.hide(20); // 输出 "Derived hide with int: 20"

d.Base::hide(); // 输出 "Base hide"

return 0;

}

在这个例子中，show 在派生类中进行了覆盖，而 hide 则是对基类同名函数的隐藏。同时，hide 的重载版本接收一个 int 参数。

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2.6 协变（Covariance）

在 C++ 中，派生类可以在重写基类虚函数时使用与基类虚函数返回类型不同的返回类型。这种返回值类型的变化被称为协变。

2.6.1 协变的定义

当派生类重写基类的虚函数时，如果基类虚函数返回基类对象的指针或引用，派生类重写后的虚函数可以返回派生类对象的指针或引用。这种返回值的变化称为协变（Covariance）。

2.6.2 协变的使用示例

协变通常用于在继承关系中，返回更加具体的派生类类型，从而让调用者能够获得更加明确的对象类型。

示例代码：

#include <iostream>

using namespace std;

class Base {

public:

virtual Base* clone() const {

cout << "Cloning Base" << endl;

return new Base(*this);

}

};

class Derived : public Base {

public:

// 重写虚函数，返回派生类对象的指针

Derived* clone() const override {

cout << "Cloning Derived" << endl;

return new Derived(*this);

}

};

int main() {

Base* base = new Derived();

Base* cloneBase = base->clone(); // 输出 "Cloning Derived"

delete base;

delete cloneBase;

return 0;

}

在上述代码中，基类 Base 中的虚函数 clone() 返回一个 Base*，而派生类 Derived 中的 clone() 重写了该函数，并返回 Derived*。这种返回值类型的改变就是协变。

协变的优势在于，它允许我们在使用基类接口的同时，能够获得更加具体的派生类对象，从而提高代码的灵活性和类型安全性。

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2.7 C++11 override 和 final 关键字

2.7.1 override 关键字

在 C++ 中，虚函数重写的过程中，如果不小心打错了函数名，编译器不会自动提示错误，而是会认为这是一个新的函数，导致程序运行时无法得到预期的结果。为了防止这种疏忽，C++11 提供了 override 关键字，可以显式声明派生类的函数是在重写基类的虚函数。

示例代码：

#include <iostream>

using namespace std;

class Base {

public:

virtual void print() {

cout << "Base print" << endl;

}

};

class Derived : public Base {

public:

void print() override { // 使用 override 明确表示重写基类的虚函数

cout << "Derived print" << endl;

}

};

int main() {

Base* obj = new Derived();

obj->print(); // 输出 "Derived print"

delete obj;

return 0;

}

在这个例子中，Derived 类中的 print() 函数使用了 override 关键字。如果函数名拼写错误（例如写成 pritn()），编译器会直接报错，从而避免了意外定义新函数的问题。

2.7.2 final 关键字

C++11 还提供了 final 关键字，用于防止进一步的继承或重写：

类后加 final：表示该类不允许被继承。虚函数后加 final：表示该虚函数不允许被派生类进一步重写。

示例代码：

class Base {

public:

virtual void show() {

cout << "Base show" << endl;

}

virtual void print() final { // 该函数不能被派生类重写

cout << "Base final print" << endl;

}

};

class Derived : public Base {

public:

void show() override {

cout << "Derived show" << endl;

}

// void print() override { // 这行代码会报错，因为 print() 在基类中被声明为 final

// cout << "Derived print" << endl;

// }

};

class FinalClass final : public Derived {

// 不能再继承 FinalClass

};

int main() {

Derived d;

d.show(); // 输出 "Derived show"

d.print(); // 输出 "Base final print"

return 0;

}

在这个例子中，基类中的 print() 函数被声明为 final，因此 Derived 类无法再对它进行重写。此外，FinalClass 被声明为 final，表示这个类不允许再被其他类继承。

override 和 final 提供了更加严格的语法检查，帮助开发者减少错误，提高代码的可维护性和可靠性。

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第三章：多态的应用场景与实践

3.1 多态在设计模式中的应用

在软件工程中，多态被广泛应用于各种设计模式中，以实现灵活且可扩展的系统设计。常见的设计模式中利用多态的包括以下几种：

策略模式（Strategy Pattern）：通过定义一组算法，并将它们封装起来，可以通过多态机制在运行时选择不同的算法。

示例代码：

class PaymentStrategy {

public:

virtual void pay(int amount) = 0;

};

class CreditCardPayment : public PaymentStrategy {

public:

void pay(int amount) override {

cout << "Paid " << amount << " using Credit Card." << endl;

}

};

class PayPalPayment : public PaymentStrategy {

public:

void pay(int amount) override {

cout << "Paid " << amount << " using PayPal." << endl;

}

};

class ShoppingCart {

private:

PaymentStrategy* paymentMethod;

public:

ShoppingCart(PaymentStrategy* method) : paymentMethod(method) { }

void checkout(int amount) {

paymentMethod->pay(amount);

}

};

int main() {

ShoppingCart cart1(new CreditCardPayment());

cart1.checkout(100); // 输出 "Paid 100 using Credit Card."

ShoppingCart cart2(new PayPalPayment());

cart2.checkout(200); // 输出 "Paid 200 using PayPal."

return 0;

}

在此示例中，通过多态机制，ShoppingCart 可以选择不同的支付方式来完成支付，体现了策略模式的灵活性。

工厂模式（Factory Pattern）：通过基类指针返回具体派生类的实例，从而实现对象的灵活创建。

3.2 多态与接口分离原则

接口分离原则（Interface Segregation Principle，ISP）是 SOLID 原则之一，旨在避免让一个类实现与它无关的接口。通过使用多态，可以设计更加精细化的接口，确保每个类只依赖于它需要的接口。

示例：定义多个小接口，而不是将所有功能塞进一个庞大的基类中。

class Printable {

public:

virtual void print() = 0;

};

class Scannable {

public:

virtual void scan() = 0;

};

class Printer : public Printable {

public:

void print() override {

cout << "Printing document..." << endl;

}

};

class Scanner : public Scannable {

public:

void scan() override {

cout << "Scanning document..." << endl;

}

};

在这个例子中，Printer 只实现 Printable 接口，而 Scanner 只实现 Scannable 接口，避免了实现与自身无关的方法。

3.3 常见的多态错误与调试

在使用多态的过程中，一些常见的错误包括：

基类析构函数未声明为虚函数：当基类的析构函数未声明为 virtual，通过基类指针删除派生类对象时，派生类的析构函数不会被调用，可能导致内存泄漏。

class Base {

public:

~Base() {

cout << "Base destructor" << endl;

}

};

class Derived : public Base {

public:

~Derived() {

cout << "Derived destructor" << endl;

}

};

int main() {

Base* obj = new Derived();

delete obj; // 只调用了 Base 的析构函数，未调用 Derived 的析构函数

return 0;

}

解决方法：将基类的析构函数声明为虚函数：

virtual ~Base() {

cout << "Base destructor" << endl;

}

总结：

如果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。虽然函数名不相同，看起来违背了重写的规则，其实不然，这里可以理解为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。

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第四章：总结与反思

4.1 多态的优缺点分析

4.1.1 优点

代码复用：通过多态，基类的代码可以被多个派生类复用。灵活性与扩展性：通过基类指针或引用，程序可以在运行时选择不同的实现，增强了代码的灵活性和扩展性。降低耦合度：通过抽象类与多态，可以让代码依赖于接口而非具体实现，降低了系统的耦合度。

4.1.2 缺点

性能开销：多态通过虚函数表实现，调用虚函数时需要间接寻址，这会带来一定的性能开销。调试困难：多态引入了动态绑定，可能导致运行时错误更难以定位。内存管理：在使用多态时，如果基类析构函数未声明为 virtual，可能会引起内存泄漏。

4.2 进一步学习多态的推荐书籍与资源

《C++ Primer》：这本书对 C++ 中的多态有着详细的介绍和大量实例，非常适合初学者。《Effective C++》：Scott Meyers 的经典书籍，深入讲解了如何有效地使用 C++，包括多态的最佳实践。Online Resources：

Cplusplus.comGeeksforGeeks C++ Polymorphism

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写在最后

本篇文章只是揭开了多态的基础面纱，帮助你了解了如何利用虚函数和抽象类在程序中实现动态行为。然而，多态的神奇远不止于此。接下来，我们将一起深入探讨多态背后的实现原理，揭开虚函数表（VTable）如何实现动态绑定的奥秘，以及如何在多重继承的复杂关系中应对多态的挑战。希望你能继续和我一起探索，领略C++编程更深层次的智慧与魅力。敬请期待！

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以上就是关于【C++篇】灵动之韵：C++多态揭秘，赋予代码生命的艺术的内容啦，各位大佬有什么问题欢迎在评论区指正，或者私信我也是可以的啦，您的支持是我创作的最大动力！❤️