C++进阶：（二）多态的深度解析

_OP_CHEN

发布于 2026-01-14 10:16:30

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文章被收录于专栏：C++C++

前言

在 C++ 面向对象编程的三大核心特性（封装、继承、多态）中，多态无疑是最具灵活性和扩展性的特性。它允许不同类的对象对同一消息做出不同响应，让代码更具通用性和可维护性，是实现设计模式、框架开发的基础。很多开发者在初学多态时，往往只能掌握表面用法，对其底层原理和进阶细节理解不深。本文将从概念定义出发，逐步深入多态的实现条件、核心机制、底层原理，结合大量实战代码和面试高频考点，全面解析 C++ 多态的方方面面，帮助大家真正吃透这一核心特性。下面就让我们正式开始吧！

一、多态的概念：什么是多态？

1.1 多态的通俗理解

多态（polymorphism），字面意思是 “多种形态”。在编程语境中，指的是同一个行为（函数调用），作用于不同的对象，会产生不同的执行结果。生活中处处可见多态的影子：

买票行为：普通人买票全价、学生买票打折、军人买票优先，同样是 “买票” 操作，不同身份的人（不同对象）执行结果不同；
动物叫声：猫叫是 “喵”，狗叫是 “汪汪”，同样是 “发声” 行为，不同动物（不同对象）表现形式不同；
交通工具行驶：汽车在路上跑，飞机在天上飞，轮船在水里游，同样是 “移动” 行为，不同交通工具（不同对象）实现方式不同。

这种 “一个接口，多种实现” 的思想，正是多态的核心价值 —— 它屏蔽了不同对象之间的差异，让开发者可以通过统一的方式调用不同对象的方法，极大简化了代码逻辑。

1.2 多态的分类

C++ 中的多态分为两大类：编译时多态（静态多态） 和运行时多态（动态多态），二者的核心区别在于 “行为确定的时机” 不同。

1.2.1 编译时多态（静态多态）

编译时多态是指在编译阶段就确定了函数的调用关系，行为结果在编译时已经明确。它的实现方式主要有两种：

函数重载：同一作用域内，函数名相同但参数列表（参数类型、个数、顺序）不同的函数，编译器会根据实参类型匹配对应的函数；
函数模板：通过模板参数自动适配不同类型，编译时会为每种使用的类型生成对应的函数实例。

示例：函数重载实现静态多态

#include <iostream>
using namespace std;

// 函数重载：参数类型不同
int Add(int a, int b) {
    cout << "int Add: ";
    return a + b;
}

double Add(double a, double b) {
    cout << "double Add: ";
    return a + b;
}

// 函数重载：参数个数不同
int Add(int a, int b, int c) {
    cout << "int Add(3 params): ";
    return a + b + c;
}

int main() {
    cout << Add(1, 2) << endl;         // 调用int Add(int, int)
    cout << Add(1.5, 2.5) << endl;     // 调用double Add(double, double)
    cout << Add(1, 2, 3) << endl;      // 调用int Add(int, int, int)
    return 0;
}

运行结果：

int Add: 3
double Add: 4
int Add(3 params): 6

静态多态的特点是效率高（编译时确定调用地址，无运行时开销），但灵活性差（必须在编译时明确所有可能的行为，无法适应运行时动态变化的场景）。

1.2.2 运行时多态（动态多态）

运行时多态是指在程序运行阶段才确定函数的调用关系，行为结果取决于运行时的对象类型。它是 C++ 多态的核心，也是本文重点讲解的内容。

示例：运行时多态的直观体现

#include <iostream>
using namespace std;

// 基类：人
class Person {
public:
    // 虚函数：买票
    virtual void BuyTicket() {
        cout << "普通人买票：全价" << endl;
    }
};

// 派生类：学生（继承自Person）
class Student : public Person {
public:
    // 重写基类虚函数
    virtual void BuyTicket() {
        cout << "学生买票：半价（硬座）/75折（高铁二等座）" << endl;
    }
};

// 派生类：军人（继承自Person）
class Soldier : public Person {
public:
    // 重写基类虚函数
    virtual void BuyTicket() {
        cout << "军人买票：优先购票" << endl;
    }
};

// 统一接口：调用买票行为
void DoBuyTicket(Person& people) {
    people.BuyTicket(); // 同一调用语句，不同对象表现不同
}

int main() {
    Person p;
    Student s;
    Soldier sol;
    
    DoBuyTicket(p);   // 输出：普通人买票：全价
    DoBuyTicket(s);   // 输出：学生买票：半价（硬座）/75折（高铁二等座）
    DoBuyTicket(sol); // 输出：军人买票：优先购票
    
    return 0;
}

运行结果：

普通人买票：全价
学生买票：半价（硬座）/75折（高铁二等座）
军人买票：优先购票

在这个示例中，DoBuyTicket函数接收Person类型的引用，但传入不同的派生类对象时，会执行对应的BuyTicket方法。这种 “同一接口，多种实现” 的效果，正是运行时多态的核心体现。它的特点是灵活性高（支持动态扩展，新增派生类无需修改原有接口代码），但有轻微运行时开销（需要在运行时查找函数地址）。

二、多态的定义及实现：三大核心条件

想要实现 C++ 运行时多态，必须满足三个核心条件，缺一不可。很多开发者在使用多态时出现问题，本质上都是没有完全满足这三个条件。

2.1 核心条件一：继承关系

多态必须建立在类的继承体系之上，即存在基类（父类）和派生类（子类）的继承关系。派生类通过继承基类，获得基类的接口（虚函数），并可以根据自身需求重写该接口。

需要注意：

支持单一继承（一个派生类继承一个基类）和多重继承（一个派生类继承多个基类），但多重继承可能导致虚函数表复杂，需要谨慎使用；
派生类必须是公有继承（public inheritance），才能保证基类的指针 / 引用可以访问派生类的虚函数（私有继承或保护继承会限制访问权限）。

2.2 核心条件二：虚函数与重写

2.2.1 虚函数的定义

虚函数是多态的 “开关”，在基类的成员函数前加上virtual关键字，该函数就成为虚函数。

语法格式：

class 基类名 {
public:
    virtual 返回值类型 函数名(参数列表) {
        // 函数实现
    }
};

注意事项：

virtual关键字仅需在基类声明时添加，派生类重写时可加可不加，但建议加上，能够提高代码可读性；
非成员函数（全局函数）、静态成员函数（static修饰）、构造函数不能声明为虚函数；
析构函数可以（且建议）声明为虚函数，这是面试高频考点，后续会详细讲解。

2.2.2 虚函数的重写（覆盖）

虚函数的重写（也叫覆盖）是指：派生类中有一个与基类虚函数完全相同的函数，即满足 “三同” 原则：

函数名相同；
参数列表（参数类型、个数、顺序）相同；
返回值类型相同（协变情况除外，后续讲解）。

示例：虚函数重写的正确实现

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal {
public:
    // 基类虚函数
    virtual void Talk() const {
        cout << "动物发出声音" << endl;
    }
};

class Cat : public Animal {
public:
    // 重写基类虚函数：三同原则
    virtual void Talk() const {
        cout << "(>^ω^<)喵~" << endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    // 重写基类虚函数：三同原则（派生类可省略virtual，但不推荐）
    void Talk() const { // 仍构成重写，因为继承了基类虚函数属性
        cout << "汪汪汪！" << endl;
    }
};

// 统一接口
void LetHear(const Animal& animal) {
    animal.Talk();
}

int main() {
    Cat cat;
    Dog dog;
    
    LetHear(cat); // 输出：(>^ω^<)喵~
    LetHear(dog); // 输出：汪汪汪！
    
    return 0;
}

常见错误：不满足三同原则，导致重写失败

// 错误示例1：参数列表不同
class Animal {
public:
    virtual void Eat(string food) { // 参数为string类型
        cout << "动物吃" << food << endl;
    }
};

class Rabbit : public Animal {
public:
    virtual void Eat(const char* food) { // 参数为const char*类型，不满足三同
        cout << "兔子吃" << food << endl;
    }
};

// 错误示例2：返回值类型不同（非协变）
class Animal {
public:
    virtual int GetAge() { // 返回int类型
        return 0;
    }
};

class Bird : public Animal {
public:
    virtual double GetAge() { // 返回double类型，不满足三同（非协变）
        return 1.5;
    }
};

在上述错误的示例中，派生类的函数与基类虚函数不满足 “三同” 原则，无法构成重写，因此也就无法实现多态。

2.3 核心条件三：基类的指针或引用调用虚函数

多态的触发必须通过基类的指针或基类的引用来调用虚函数，直接通过对象本身调用虚函数无法触发多态。

示例：不同调用方式的对比

#include <iostream>
using namespace std;

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

class Student : public Person {
public:
    virtual void BuyTicket() {
        cout << "学生买票：半价" << endl;
    }
};

int main() {
    Person p;
    Student s;
    
    // 1. 直接通过对象调用：无多态
    p.BuyTicket(); // 输出：普通人买票：全价
    s.BuyTicket(); // 输出：学生买票：半价（这是直接调用派生类函数，非多态）
    
    // 2. 基类指针调用：触发多态
    Person* p1 = &p;
    Person* p2 = &s;
    p1->BuyTicket(); // 输出：普通人买票：全价
    p2->BuyTicket(); // 输出：学生买票：半价（多态生效）
    
    // 3. 基类引用调用：触发多态
    Person& r1 = p;
    Person& r2 = s;
    r1.BuyTicket(); // 输出：普通人买票：全价
    r2.BuyTicket(); // 输出：学生买票：半价（多态生效）
    
    return 0;
}

为什么必须用基类指针 / 引用？

基类指针 / 引用具有 “兼容性”：可以指向基类对象，也可以指向派生类对象（派生类对象包含基类部分）；
直接通过对象调用时，编译器会根据对象的静态类型（编译时确定的类型）调用函数，是无法体现动态多态的；
通过基类指针 / 引用调用时，编译器会延迟到运行时，根据指针 / 引用实际指向的对象类型来调用对应的虚函数。

2.4 多态实现的完整示例

结合以上三个条件，下面给出一个完整的多态实现示例，涵盖继承、虚函数重写、基类指针 / 引用调用三个核心要素：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// 基类：交通工具
class Vehicle {
public:
    Vehicle(string name) : _name(name) {}
    
    // 虚函数：行驶
    virtual void Run() {
        cout << _name << "：正在行驶" << endl;
    }
    
    // 虚函数：鸣笛
    virtual void Honk() {
        cout << _name << "：鸣笛警告" << endl;
    }

protected:
    string _name; // 交通工具名称
};

// 派生类：汽车
class Car : public Vehicle {
public:
    Car(string name) : Vehicle(name) {}
    
    // 重写Run函数
    virtual void Run() {
        cout << _name << "：在公路上匀速行驶，速度60km/h" << endl;
    }
    
    // 重写Honk函数
    virtual void Honk() {
        cout << _name << "：嘀嘀嘀~" << endl;
    }
};

// 派生类：飞机
class Plane : public Vehicle {
public:
    Plane(string name) : Vehicle(name) {}
    
    // 重写Run函数
    virtual void Run() {
        cout << _name << "：在蓝天上飞行，高度10000米" << endl;
    }
    
    // 重写Honk函数
    virtual void Honk() {
        cout << _name << "：呜呜呜~（航空警报）" << endl;
    }
};

// 派生类：轮船
class Ship : public Vehicle {
public:
    Ship(string name) : Vehicle(name) {}
    
    // 重写Run函数
    virtual void Run() {
        cout << _name << "：在海面上航行，航向正东" << endl;
    }
    
    // 重写Honk函数
    virtual void Honk() {
        cout << _name << "：嘟嘟嘟~（雾笛）" << endl;
    }
};

// 统一接口：控制交通工具运行和鸣笛
void ControlVehicle(Vehicle* vehicle) {
    vehicle->Run();   // 多态调用Run函数
    vehicle->Honk();  // 多态调用Honk函数
    cout << "------------------------" << endl;
}

int main() {
    // 创建不同交通工具对象
    Car car("家用轿车");
    Plane plane("民航客机");
    Ship ship("远洋货轮");
    
    // 通过基类指针调用，触发多态
    ControlVehicle(&car);
    ControlVehicle(&plane);
    ControlVehicle(&ship);
    
    return 0;
}

运行结果如下：

家用轿车：在公路上匀速行驶，速度60km/h
家用轿车：嘀嘀嘀~
------------------------
民航客机：在蓝天上飞行，高度10000米
民航客机：呜呜呜~（航空警报）
------------------------
远洋货轮：在海面上航行，航向正东
远洋货轮：嘟嘟嘟~（雾笛）
------------------------

从运行结果可以看出，ControlVehicle函数通过基类指针Vehicle*接收不同的派生类对象，却能正确调用各自的Run和Honk方法，实现了 “一个接口，多种实现” 的多态效果。如果后续需要新增 “高铁”“自行车” 等交通工具，只需新增派生类并重写虚函数，无需修改ControlVehicle函数，这大大提高了代码的可扩展性。

三、虚函数重写的进阶细节

在实际开发和面试中，虚函数重写还有很多容易混淆的进阶细节，比如协变、析构函数重写、override 和 final 关键字等。这些细节既是重点，也是高频考点，大家也需要深入理解。

3.1 协变：返回值类型不同的特殊重写

我在前面提到，虚函数重写需要满足 “三同” 原则，其中返回值类型必须相同。但存在一种特殊情况 ——协变，允许派生类虚函数的返回值类型与基类虚函数不同。

3.1.1 协变的定义

协变是指：基类虚函数返回基类对象的指针或引用，派生类虚函数返回派生类对象的指针或引用（派生类是基类的子类）。这种情况下，即使返回值类型不同，也构成虚函数重写。

示例：协变的实现

#include <iostream>
using namespace std;

// 基类：A
class A {};

// 派生类：B（继承自A）
class B : public A {};

// 基类：Person
class Person {
public:
    // 基类虚函数：返回A*
    virtual A* BuyTicket() {
        cout << "普通人买票：全价" << endl;
        return new A();
    }
};

// 派生类：Student
class Student : public Person {
public:
    // 派生类虚函数：返回B*（B是A的子类），构成协变
    virtual B* BuyTicket() {
        cout << "学生买票：半价" << endl;
        return new B();
    }
};

int main() {
    Person p;
    Student s;
    
    Person* p1 = &p;
    Person* p2 = &s;
    
    delete p1->BuyTicket(); // 输出：普通人买票：全价
    delete p2->BuyTicket(); // 输出：学生买票：半价（多态生效）
    
    return 0;
}

协变的注意事项

协变仅支持返回值为 “指针” 或 “引用” 的情况，返回值为普通对象时不支持；
派生类虚函数的返回值类型必须是基类虚函数返回值类型的子类（即存在继承关系）；
协变的实际应用场景较少，主要用于一些特殊的设计模式（如工厂模式），了解即可。

3.2 析构函数的重写：避免内存泄漏

析构函数的重写是面试中最高频的考点之一。很多开发者在使用多态时，容易忽略析构函数的虚函数声明，导致派生类对象的资源无法释放，引发内存泄漏。

下面通过一个问题场景来引入对析构函数重写的介绍——未声明虚析构函数：

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    Base() {
        cout << "Base::构造函数" << endl;
        _p = new int[10]; // 动态分配内存
    }
    
    // 非虚析构函数
    ~Base() {
        cout << "Base::析构函数" << endl;
        delete[] _p; // 释放内存
    }

private:
    int* _p;
};

class Derive : public Base {
public:
    Derive() {
        cout << "Derive::构造函数" << endl;
        _q = new char[100]; // 动态分配内存
    }
    
    ~Derive() {
        cout << "Derive::析构函数" << endl;
        delete[] _q; // 释放内存
    }

private:
    char* _q;
};

int main() {
    Base* p = new Derive(); // 基类指针指向派生类对象
    delete p; // 释放对象
    
    return 0;
}

运行结果：

Base::构造函数
Derive::构造函数
Base::析构函数

问题分析：

delete p时，由于基类Base的析构函数不是虚函数，编译器根据基类指针的静态类型（Base*）调用基类的析构函数；
派生类Derive的析构函数没有被调用，导致_q指向的内存无法释放，引发内存泄漏。

解决方案：声明虚析构函数

将基类的析构函数声明为虚函数，派生类的析构函数会自动构成重写，从而触发多态析构。

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    Base() {
        cout << "Base::构造函数" << endl;
        _p = new int[10];
    }
    
    // 虚析构函数
    virtual ~Base() {
        cout << "Base::析构函数" << endl;
        delete[] _p;
    }

private:
    int* _p;
};

class Derive : public Base {
public:
    Derive() {
        cout << "Derive::构造函数" << endl;
        _q = new char[100];
    }
    
    // 派生类析构函数：自动重写基类虚析构
    ~Derive() {
        cout << "Derive::析构函数" << endl;
        delete[] _q;
    }

private:
    char* _q;
};

int main() {
    Base* p = new Derive();
    delete p;
    
    return 0;
}

运行结果：

Base::构造函数
Derive::构造函数
Derive::析构函数
Base::析构函数

原理说明：

编译器会对析构函数的名称做特殊处理，编译后所有析构函数的名称统一为destructor；
基类析构函数声明为virtual后，派生类析构函数会自动重写该虚函数；
delete p时，通过基类指针调用虚析构函数，触发多态，先调用派生类析构函数（释放派生类资源），再调用基类析构函数（释放基类资源），避免内存泄漏。

因此，只要类可能被继承，并且可能通过基类指针删除派生类对象，就必须将基类的析构函数声明为虚函数；若类不会被继承，或不会通过基类指针删除派生类对象，可不用声明虚析构函数（因为虚函数会增加对象内存开销）。

3.3 override 和 final 关键字：增强重写的安全性

C++11 引入了override和final两个关键字，用于解决虚函数重写中的 “隐式错误”，增强代码的可读性和安全性。

3.3.1 override：验证重写是否正确

override关键字用于派生类的虚函数，表示该函数意图重写基类的虚函数。编译器会检查是否满足重写条件，若不满足则编译报错。

示例：override 的使用

#include <iostream>
using namespace std;

class Car {
public:
    // 基类虚函数：注意函数名是Drive（拼写正确）
    virtual void Drive() {
        cout << "汽车：基本行驶功能" << endl;
    }
};

class Benz : public Car {
public:
    // 意图重写Drive函数，但拼写错误（Dirve）
    virtual void Dirve() override { // 编译报错：没有重写任何基类方法
        cout << "奔驰：舒适行驶" << endl;
    }
};

int main() {
    Benz benz;
    return 0;
}

VS 编译器下的编译错误信息：

error C3668: “Benz::Dirve”: 包含重写说明符“override”的方法没有重写任何基类方法

作用：

强制编译器验证重写条件（三同原则），避免因拼写错误、参数不匹配等导致的重写失败；
明确告知其他开发者该函数是重写基类的虚函数，提高代码可读性。

3.3.2 final：禁止虚函数被重写

final关键字用于基类的虚函数，表示该函数禁止被任何派生类重写；也可用于类，表示该类禁止被继承。

示例 1：禁止虚函数被重写

#include <iostream>
using namespace std;

class Car {
public:
    // final修饰虚函数：禁止派生类重写
    virtual void Drive() final {
        cout << "汽车：基本行驶功能" << endl;
    }
};

class BMW : public Car {
public:
    // 试图重写被final修饰的函数，编译报错
    virtual void Drive() {
        cout << "宝马：操控性行驶" << endl;
    }
};

int main() {
    BMW bmw;
    return 0;
}

VS 编译器下的编译错误信息：

error C3248: “Car::Drive”: 声明为“final”的函数无法被“BMW::Drive”重写

示例 2：禁止类被继承

#include <iostream>
using namespace std;

// final修饰类：禁止被继承
class Car final {
public:
    virtual void Drive() {
        cout << "汽车：基本行驶功能" << endl;
    }
};

// 试图继承被final修饰的类，编译报错
class Audi : public Car {
public:
    virtual void Drive() {
        cout << "奥迪：科技感行驶" << endl;
    }
};

int main() {
    Audi audi;
    return 0;
}

VS 编译器下的编译错误信息：

error C3246: “Audi”: 无法从“Car”继承，因为它已被声明为“final”

作用：

限制虚函数的重写或类的继承，避免不必要的扩展，保证代码的稳定性；
明确告知其他开发者该函数 / 类不允许被修改，提高代码可维护性。

3.4 重载、重写、隐藏的区别（面试高频）

C++ 中函数的重载、重写、隐藏是三个容易混淆的概念，面试中经常会以选择题或简答题的形式考察。通过下面这张图来详细对比三者的区别：

示例：三者的直观对比

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    // 1. 重载：同一作用域，参数列表不同
    void Func(int a) {
        cout << "Base::Func(int): " << a << endl;
    }
    
    void Func(double a) {
        cout << "Base::Func(double): " << a << endl;
    }
    
    // 虚函数：用于重写
    virtual void Show() {
        cout << "Base::Show()" << endl;
    }
    
    // 普通函数：用于隐藏
    void Display() {
        cout << "Base::Display()" << endl;
    }
};

class Derive : public Base {
public:
    // 2. 重写：基类虚函数，三同原则
    virtual void Show() {
        cout << "Derive::Show()" << endl;
    }
    
    // 3. 隐藏：与基类同名，不满足重写条件
    void Display() {
        cout << "Derive::Display()" << endl;
    }
    
    // 隐藏：与基类Func同名，但参数列表不同（非重载，因为作用域不同）
    void Func(const char* str) {
        cout << "Derive::Func(const char*): " << str << endl;
    }
};

int main() {
    Derive d;
    
    // 测试重载：调用Base类的重载函数
    d.Func(10);        // 输出：Base::Func(int): 10
    d.Func(3.14);      // 输出：Base::Func(double): 3.14
    
    // 测试隐藏：调用Derive类的Func（隐藏基类Func）
    d.Func("hello");   // 输出：Derive::Func(const char*): hello
    
    // 测试重写：基类指针指向派生类，多态调用
    Base* p = &d;
    p->Show();         // 输出：Derive::Show()（重写，多态）
    
    // 测试隐藏：基类指针调用基类Display，派生类对象调用派生类Display
    p->Display();      // 输出：Base::Display()（隐藏，静态绑定）
    d.Display();       // 输出：Derive::Display()（隐藏，静态绑定）
    
    return 0;
}

运行结果：

Base::Func(int): 10
Base::Func(double): 3.14
Derive::Func(const char*): hello
Derive::Show()
Base::Display()
Derive::Display()

结论：

重载看 “同一作用域 + 参数不同”；
重写看 “不同作用域 + 三同 + 虚函数”；
隐藏看 “不同作用域 + 同名 + 非重写”；
只有重写能触发多态，重载和隐藏都是静态绑定。

四、纯虚函数和抽象类

在实际开发中，有些基类只需要定义接口，不需要实现具体功能，具体功能由派生类实现。这时就需要用到纯虚函数和抽象类。

4.1 纯虚函数的定义

纯虚函数是指在基类中声明的、没有具体实现的虚函数，语法格式为在虚函数声明后加上=0。

语法格式：

class 基类名 {
public:
    virtual 返回值类型 函数名(参数列表) = 0; // 纯虚函数
};

需要注意以下两点：

纯虚函数不需要实现（语法上允许提供实现，但无实际意义）；
包含纯虚函数的类称为抽象类。

4.2 抽象类的特性

抽象类是一种特殊的类，具有以下核心特性：

抽象类不能实例化对象（编译报错）；
派生类必须重写抽象类中的所有纯虚函数，否则派生类也会成为抽象类，无法实例化；
抽象类可以定义普通成员函数和成员变量；
抽象类的指针 / 引用可以指向其派生类对象（用于实现多态）。

示例：纯虚函数和抽象类的使用

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// 抽象类：形状（包含纯虚函数）
class Shape {
public:
    Shape(string name) : _name(name) {}
    
    // 纯虚函数：计算面积（仅声明，无实现）
    virtual double CalculateArea() = 0;
    
    // 纯虚函数：计算周长（仅声明，无实现）
    virtual double CalculatePerimeter() = 0;
    
    // 普通成员函数：显示形状名称
    void ShowName() {
        cout << "形状：" << _name << endl;
    }

protected:
    string _name;
};

// 派生类：圆形（重写所有纯虚函数）
class Circle : public Shape {
public:
    Circle(string name, double radius) : Shape(name), _radius(radius) {}
    
    // 重写纯虚函数：计算面积（圆面积=πr²）
    virtual double CalculateArea() {
        return 3.14159 * _radius * _radius;
    }
    
    // 重写纯虚函数：计算周长（圆周长=2πr）
    virtual double CalculatePerimeter() {
        return 2 * 3.14159 * _radius;
    }

private:
    double _radius; // 半径
};

// 派生类：矩形（重写所有纯虚函数）
class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(string name, double length, double width) 
        : Shape(name), _length(length), _width(width) {}
    
    // 重写纯虚函数：计算面积（矩形面积=长×宽）
    virtual double CalculateArea() {
        return _length * _width;
    }
    
    // 重写纯虚函数：计算周长（矩形周长=2×(长+宽)）
    virtual double CalculatePerimeter() {
        return 2 * (_length + _width);
    }

private:
    double _length; // 长
    double _width;  // 宽
};

// 派生类：三角形（未重写所有纯虚函数，仍为抽象类）
class Triangle : public Shape {
public:
    Triangle(string name, double a, double b, double c) 
        : Shape(name), _a(a), _b(b), _c(c) {}
    
    // 仅重写一个纯虚函数，另一个未重写
    virtual double CalculatePerimeter() {
        return _a + _b + _c;
    }

private:
    double _a, _b, _c; // 三边长
};

// 统一接口：计算并显示形状的面积和周长
void ShowShapeInfo(Shape* shape) {
    shape->ShowName();
    cout << "面积：" << shape->CalculateArea() << endl;
    cout << "周长：" << shape->CalculatePerimeter() << endl;
    cout << "------------------------" << endl;
}

int main() {
    // 1. 抽象类不能实例化对象（编译报错）
    // Shape shape("未知形状"); 
    
    // 2. 派生类（重写所有纯虚函数）可以实例化
    Circle circle("圆形", 5.0);
    Rectangle rect("矩形", 4.0, 6.0);
    
    // 3. 未重写所有纯虚函数的派生类不能实例化（编译报错）
    // Triangle tri("三角形", 3.0, 4.0, 5.0);
    
    // 4. 抽象类指针指向派生类对象，实现多态
    ShowShapeInfo(&circle);
    ShowShapeInfo(&rect);
    
    return 0;
}

运行结果：

形状：圆形
面积：78.5397
周长：31.4159
------------------------
形状：矩形
面积：24
周长：20
------------------------

4.3 抽象类的应用场景

抽象类的核心价值是定义统一接口，强制派生类实现特定功能，常见应用场景包括：

框架开发：定义框架的核心接口，具体实现由用户自定义的派生类完成；
设计模式：如工厂模式、策略模式等，通过抽象类定义产品或策略的接口；
团队协作：统一代码规范，确保不同开发者实现的派生类都包含必要的功能接口。

例如，在图形处理软件中，抽象类Shape定义了所有图形必须具备的 “计算面积” 和 “计算周长” 接口，后续新增 “正方形”“椭圆形” 等图形时，只需继承Shape并重写纯虚函数，即可无缝集成到现有代码中，无需修改原有接口逻辑。

五、多态的底层原理：虚函数表与动态绑定

很多人在使用多态的时候，只知道 “怎么用”，却不知道 “为什么能这样用”。理解多态的底层原理，不仅能帮助我们更灵活地使用多态，也是面试中的核心考点（比如 “虚函数表是什么？”“动态绑定的过程是怎样的？”等）。

5.1 虚函数表指针（__vfptr）

在 C++ 中，当一个类包含虚函数时，编译器会为该类的每个对象添加一个隐藏的成员变量 ——虚函数表指针（virtual function table pointer），简写为__vfptr。

5.1.1 虚函数表指针的本质

__vfptr是一个指针，指向一个存储虚函数地址的数组，这个数组称为虚函数表（virtual function table），简称虚表（vtable）；
一个类的所有对象共用同一张虚表（虚表存储在代码段 / 常量区，而非对象中）；
虚函数表指针的大小为 4 字节（32 位系统）或 8 字节（64 位系统），独立于类的其他成员变量。

5.1.2 包含虚函数的类的对象大小

下面通过示例验证包含虚函数的类的对象大小（以 32 位系统为例）：

#include <iostream>
using namespace std;

// 普通类（无虚函数）
class Base1 {
public:
    void Func() {}
private:
    int _a = 1;
    char _ch = 'x';
};

// 包含虚函数的类
class Base2 {
public:
    virtual void Func() {}
private:
    int _a = 1;
    char _ch = 'x';
};

int main() {
    cout << "Base1对象大小：" << sizeof(Base1) << endl; // 输出：8（int占4字节，char占1字节，内存对齐为8字节）
    cout << "Base2对象大小：" << sizeof(Base2) << endl; // 输出：12（4字节__vfptr + 4字节int + 1字节char，内存对齐为12字节）
    
    return 0;
}

运行结果（32 位系统）：

Base1对象大小：8
Base2对象大小：12

分析：

Base1无虚函数，对象大小由成员变量决定（int 4 字节 + char 1 字节，内存对齐为 8 字节）；
Base2包含虚函数，对象大小 = 虚函数表指针（4 字节） + 成员变量大小（8 字节），内存对齐后为 12 字节。

这证明了包含虚函数的类的对象中，确实存在一个隐藏的虚函数表指针。

5.2 虚函数表（vtable）的结构

虚函数表是一个存储虚函数地址的数组，其结构取决于类的继承关系和虚函数重写情况。

5.2.1 基类的虚表

基类包含虚函数时，编译器会为其生成一张虚表，虚表中存储基类所有虚函数的地址。

示例：基类虚表结构

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    virtual void Func1() { cout << "Base::Func1" << endl; }
    virtual void Func2() { cout << "Base::Func2" << endl; }
private:
    int _a = 1;
};

int main() {
    Base b;
    // 通过内存查看虚表结构（32位系统）
    // b的内存布局：__vfptr（4字节） + _a（4字节）
    // __vfptr指向虚表，虚表中存储Func1和Func2的地址，末尾可能有nullptr标记（编译器相关）
    return 0;
}

基类虚表的结构示意如下：

Base的虚表（vtable for Base）：
[0] → &Base::Func1
[1] → &Base::Func2
[2] → nullptr（VS编译器标记，g++无此标记）

5.2.2 派生类的虚表

派生类继承基类后，会继承基类的虚表指针和虚表。当派生类重写基类的虚函数时，会将虚表中对应基类虚函数的地址替换为派生类重写函数的地址；同时，派生类新增的虚函数会被添加到虚表的末尾。

示例：派生类虚表结构

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    virtual void Func1() { cout << "Base::Func1" << endl; }
    virtual void Func2() { cout << "Base::Func2" << endl; }
private:
    int _a = 1;
};

class Derive : public Base {
public:
    // 重写基类Func1
    virtual void Func1() { cout << "Derive::Func1" << endl; }
    // 新增虚函数Func3
    virtual void Func3() { cout << "Derive::Func3" << endl; }
private:
    int _b = 2;
};

int main() {
    Derive d;
    // d的内存布局：__vfptr（4字节） + 继承的_a（4字节） + 自身的_b（4字节）
    // __vfptr指向派生类的虚表，虚表中Func1被替换为Derive::Func1，新增Func3
    return 0;
}

派生类虚表的结构示意如下：

Derive的虚表（vtable for Derive）：
[0] → &Derive::Func1（重写，替换基类Func1地址）
[1] → &Base::Func2（未重写，继承基类Func2地址）
[2] → &Derive::Func3（新增，添加到虚表末尾）
[3] → nullptr（VS编译器标记）

5.2.3 虚表的存储位置

虚函数表存储在代码段（常量区），而非堆或栈中。可以通过以下代码验证：

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    virtual void Func1() {}
};

class Derive : public Base {
public:
    virtual void Func1() {}
};

int main() {
    // 栈：局部变量
    int i = 0;
    // 静态区：静态变量
    static int j = 1;
    // 堆：动态分配内存
    int* pHeap = new int;
    // 常量区：字符串常量
    const char* pConst = "hello";
    
    Base b;
    Derive d;
    Base* pBase = &b;
    Derive* pDerive = &d;
    
    // 输出各区域地址
    cout << "栈地址：" << &i << endl;
    cout << "静态区地址：" << &j << endl;
    cout << "堆地址：" << pHeap << endl;
    cout << "常量区地址：" << (void*)pConst << endl;
    cout << "Base虚表地址：" << *(int*)pBase << endl; // 虚表指针指向的地址即虚表地址
    cout << "Derive虚表地址：" << *(int*)pDerive << endl;
    
    delete pHeap;
    return 0;
}

运行结果（32 位系统）：

栈地址：0x0019FF3C
静态区地址：0x0041D000
堆地址：0x0042D740
常量区地址：0x0041ABA4
Base虚表地址：0x0041AB44
Derive虚表地址：0x0041AB84

我们也可以通过VS中的监视窗口和内存窗口进行观察：

分析：

虚表地址（0x0041AB44、0x0041AB84）与常量区地址（0x0041ABA4）非常接近，说明虚表存储在代码段 / 常量区；
栈、堆、静态区的地址与虚表地址差异较大，进一步验证了虚表的存储位置。

5.3 动态绑定与静态绑定

多态的实现本质是动态绑定，而普通函数调用是静态绑定。二者的核心区别在于函数地址的确定时机。

5.3.1 静态绑定（Static Binding）

静态绑定是指在编译阶段就确定函数的调用地址，直接生成函数调用指令。

适用场景：

普通函数调用；
静态成员函数调用；
通过对象直接调用虚函数（非基类指针 / 引用）；
不满足多态条件的函数调用。

示例：静态绑定的汇编代码分析

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    void Func() { cout << "Base::Func" << endl; } // 普通函数
};

int main() {
    Base b;
    b.Func(); // 静态绑定
    return 0;
}

对应的汇编代码（VS 编译器，32 位）如下：

0041141E  lea         ecx,[b]
00411421  call        Base::Func (04110ACh) // 直接调用Func的地址04110AC

分析：编译时直接确定Func的地址（04110AC），生成call指令调用该地址，无运行时开销。

5.3.2 动态绑定（Dynamic Binding）

动态绑定是指在运行阶段通过虚函数表指针查找虚函数地址，再调用函数。

适用场景：通过基类指针 / 引用调用虚函数（满足多态条件）。

示例：动态绑定的汇编代码分析

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    virtual void Func() { cout << "Base::Func" << endl; } // 虚函数
};

class Derive : public Base {
public:
    virtual void Func() { cout << "Derive::Func" << endl; } // 重写虚函数
};

void CallFunc(Base* p) {
    p->Func(); // 动态绑定
}

int main() {
    Derive d;
    CallFunc(&d);
    return 0;
}

对应的汇编代码（VS 编译器，32 位）如下：

void CallFunc(Base* p) {
00411450  push        ebp
00411451  mov         ebp,esp
00411453  push        esi
00411454  mov         esi,dword ptr [p] // esi = p（基类指针）
    p->Func();
00411457  mov         eax,dword ptr [esi] // eax = p->__vfptr（虚表指针）
00411459  mov         edx,dword ptr [eax] // edx = 虚表[0]（Func的地址）
0041145B  mov         ecx,dword ptr [p] // ecx = p（this指针）
0041145E  call        edx // 调用edx中的地址（Derive::Func）
00411460  pop         esi
00411461  pop         ebp
00411462  ret
}

动态绑定的过程如下：

取出基类指针p指向的对象中的虚表指针__vfptr（eax = *p）；
从虚表中取出对应的虚函数地址（edx = *eax，即虚表第 0 个元素）；
调用该地址对应的函数（call edx）；
由于p指向Derive对象，虚表中存储的是Derive::Func的地址，因此最终调用Derive::Func。

这就是多态的底层实现原理：通过虚函数表指针和虚表，在运行时动态查找函数地址，实现 “同一接口，多种实现”。

5.4 多态的性能开销

多态的灵活性是以轻微的性能开销为代价的，主要体现在两个方面：

内存开销：包含虚函数的类的每个对象都会增加一个虚函数表指针（4/8 字节）；
时间开销：动态绑定需要在运行时查找虚表，比静态绑定多两次指针间接访问（__vfptr → 虚表 → 虚函数地址）。

但在大多数场景下，这种开销是可以忽略不计的。只有在对性能要求极高的核心模块（如高频调用的函数），才需要考虑是否使用多态。

六、多态的面试高频题解析

多态是 C++ 面试的重中之重，以下整理了常见的面试题及详细解析，帮助读者应对面试。

6.1 选择题：虚函数重写与多态判断

题目：以下程序的输出结果是什么？（）

#include <iostream>
using namespace std;

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();
    delete p;
    return 0;
}

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

解析：

A::func是虚函数，B::func与A::func满足三同原则（函数名、参数列表、返回值相同），构成重写；
p是B*类型，调用test()函数（继承自A），test()中调用func()；
func()是虚函数，通过this指针（B*类型）调用，触发多态，调用B::func；
虚函数的默认参数是由基类函数声明决定的（静态绑定），而非派生类。A::func的默认参数是 1，因此val的值为 1；
最终输出B->1。

因此最终答案为：B

6.2 简答题：多态的实现条件

题目：C++ 中运行时多态的实现需要满足哪些条件？

解析：

存在继承关系（基类和派生类，公有继承）；
基类声明虚函数（virtual修饰）；
派生类重写基类的虚函数（满足三同原则，协变除外）；
通过基类的指针或引用调用虚函数。

6.3 简答题：虚函数表是什么？它存储在哪里？

题目：什么是虚函数表？虚函数表存储在内存的哪个区域？

解析：

虚函数表（vtable）是一个存储虚函数地址的指针数组，由编译器自动生成；
包含虚函数的类的每个对象都会有一个虚函数表指针（__vfptr），指向该类的虚表；
虚函数表存储在代码段（常量区），而非堆、栈或静态区；
同一类的所有对象共用同一张虚表，不同类（基类和派生类）有各自独立的虚表。

6.4 简答题：为什么析构函数要声明为虚函数？

题目：为什么基类的析构函数建议声明为虚函数？如果不声明会有什么问题？

解析：

目的：避免内存泄漏。当通过基类指针删除派生类对象时，确保派生类的析构函数被调用；
问题：若基类析构函数不是虚函数，删除基类指针指向的派生类对象时，编译器会根据基类指针的静态类型调用基类析构函数，派生类析构函数不会被调用，导致派生类中动态分配的资源无法释放，引发内存泄漏；
原理：基类析构函数声明为虚函数后，派生类析构函数会自动重写该虚函数（编译器统一处理析构函数名称），删除对象时触发多态，先调用派生类析构函数，再调用基类析构函数。

6.5 编程题：利用多态实现计算器

题目：利用 C++ 多态实现一个计算器，支持加法、减法、乘法、除法运算，要求可以灵活扩展新的运算（如取模、平方）。

解析：

定义抽象基类Calculator，声明纯虚函数Calculate（统一接口）；
定义派生类Add、Subtract、Multiply、Divide，分别重写Calculate函数，实现对应运算；
新增运算时，只需新增派生类并重写Calculate，无需修改原有代码。

实现代码：

#include <iostream>
#include <stdexcept>
using namespace std;

// 抽象基类：计算器
class Calculator {
public:
    Calculator(double a, double b) : _a(a), _b(b) {}
    virtual ~Calculator() {}
    
    // 纯虚函数：计算接口
    virtual double Calculate() const = 0;
    
    // 获取操作数
    double GetA() const { return _a; }
    double GetB() const { return _b; }

protected:
    double _a; // 操作数1
    double _b; // 操作数2
};

// 派生类：加法
class Add : public Calculator {
public:
    Add(double a, double b) : Calculator(a, b) {}
    virtual double Calculate() const {
        return GetA() + GetB();
    }
};

// 派生类：减法
class Subtract : public Calculator {
public:
    Subtract(double a, double b) : Calculator(a, b) {}
    virtual double Calculate() const {
        return GetA() - GetB();
    }
};

// 派生类：乘法
class Multiply : public Calculator {
public:
    Multiply(double a, double b) : Calculator(a, b) {}
    virtual double Calculate() const {
        return GetA() * GetB();
    }
};

// 派生类：除法
class Divide : public Calculator {
public:
    Divide(double a, double b) : Calculator(a, b) {
        if (b == 0) {
            throw invalid_argument("除数不能为0");
        }
    }
    virtual double Calculate() const {
        return GetA() / GetB();
    }
};

// 派生类：取模（新增运算，无需修改原有代码）
class Mod : public Calculator {
public:
    Mod(int a, int b) : Calculator(a, b) {
        if (b == 0) {
            throw invalid_argument("模数不能为0");
        }
    }
    virtual double Calculate() const {
        return static_cast<int>(GetA()) % static_cast<int>(GetB());
    }
};

// 统一接口：执行计算并输出结果
void DoCalculate(const Calculator& calc, const string& opName) {
    cout << calc.GetA() << " " << opName << " " << calc.GetB() << " = " << calc.Calculate() << endl;
}

int main() {
    try {
        Add add(10, 5);
        Subtract sub(10, 5);
        Multiply mul(10, 5);
        Divide div(10, 5);
        Mod mod(10, 3);
        
        DoCalculate(add, "+");    // 输出：10 + 5 = 15
        DoCalculate(sub, "-");    // 输出：10 - 5 = 5
        DoCalculate(mul, "*");    // 输出：10 * 5 = 50
        DoCalculate(div, "/");    // 输出：10 / 5 = 2
        DoCalculate(mod, "%");    // 输出：10 % 3 = 1
        
        // 测试除数为0的异常
        // Divide div2(10, 0);
    } catch (const exception& e) {
        cout << "错误：" << e.what() << endl;
    }
    
    return 0;
}

运行结果：

10 + 5 = 15
10 - 5 = 5
10 * 5 = 50
10 / 5 = 2
10 % 3 = 1

总结

多态是 C++ 面向对象编程的灵魂，掌握多态的概念、实现和原理，不仅能写出更灵活、可维护的代码，也是成为高级 C++ 开发者的必备技能。建议大家结合本文的示例代码反复练习，深入理解每个细节，尤其是虚函数表和动态绑定的底层逻辑，应对面试时才能游刃有余。我们下期再见！

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