【C++】第十六节—一文详解 | 多态(概念+定义+实现，纯虚函数和抽象类，原理)

云边有个稻草人

发布于 2025-07-23 09:21:03

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正文开始——

一、多态的概念

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"。

二、多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

多态是⼀个继承关系下的类对象，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。

（1）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。

（2）虚函数

非静态的类成员函数前面加 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。

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

（3）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。只有虚函数才能完成重写。

class Animal
{
public:
	virtual void talk()const
	{ }
};

class Dog : public Animal
{
public:
	virtual void talk()const
	{
		cout << "汪汪" << endl;
	}
};

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。隐含：重写——派生类继承基类的virtual void BuyTicket()，仅对函数的实现进行重写而已，重写的精华含义就在这句话了，记住！因为派生类继承了基类的虚函数可以不加virtual，但是基类虚函数必须得加。只有虚函数才能完成重写)，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。

案例一：

#include<iostream>
using namespace std;

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;
	}
};

//基类的指针去调用虚函数
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，是由ptr指针指向的对象决定的
	//父类的指针既可以指向父类也可以指向子类，指针指向父类调用父类的函数，指向子类调用子类的函数
	ptr->BuyTicket();
}

//基类的引用去调用虚函数
void Func(Person& ptr)
{
	ptr.BuyTicket();
}

int main()
{
	Person p;
	Student s;

	Func(&p);
	Func(&s);

	Func(p);
	Func(s);

	return 0;
}

案例二：

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 << "喵喵" << endl;
	}
};

void letsHear(const Animal& animal)
{
	//不同的对象调用同一函数会有不同的行为，多态的展现
	//animal是dog/cat里面父类部分的别名
	animal.talk();
}

int main()
{
	Dog dog;
	Cat cat;

	letsHear(dog);
	letsHear(cat);

	return 0;
}

（4）多态场景的⼀个选择题

以下程序输出结果是什么（）

A: A->0

B: B->1

C: A->1

D: B->0

E: 编译出错

F: 以上都不正确

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;
}

[详细解析]

看看运行结果

将上面的题目稍稍变一下，如下

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 bb;
    bb.func();
	return 0;
}

这里就只是单纯的去调用B里面的func()函数，先去B里面去找，在到A里面去找，B里面就有，无需到A里面去找，运行结果如下：

（5）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，返回值必须是当前类或者是其他类的父子类关系的指针或者是引用，称为协变。协变的实际意义并不⼤，所以我们了解⼀下即可。

对于下面的代码，A和B就是父子类，构成协变，满足虚函数，成功运行！

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;
}

Person和Student就是当前类的父子类，满足协变的条件，成功运行！

class A {};
class B : public A {};
class Person {
public:
	virtual Person* BuyTicket()
	{
		cout << "买票-全价" << endl;
		return nullptr;
	}
};
class Student : public Person {
public:
	virtual Student * 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。

场景：

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	~A()
	{
		cout << "~A" << endl;
	}
};

class B : public A
{
public:
	~B()
	{
		cout << "~B->delete():"<<_p << endl;
		delete _p;
	}
protected:
	int* _p = new int[10];
};

int main()
{
	A* p1 = new A;
	B* p2 = new B;

	delete p1;
	delete p2;

	return 0;
}

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，最终仅仅是将B给释放了，没有调⽤B的析构函数，没有将B指向的资源进行释放，就会导致内存泄漏问题，因为~B()中在释放资源。

#include<iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	virtual ~A()
	{
		cout << "~A" << endl;
	}
};

class B : public A
{
public:
	virtual ~B()
	{
		cout << "~B->delete():"<<_p << endl;
		delete _p;
	}
protected:
	int* _p = new int[10];
};

int main()
{
	//如果我想p1和p2都是A*类型的，p2指向B里面父类的那一部分
	A* p1 = new A;
	A* p2 = new B;

	delete p1;
	delete p2;

	return 0;
}

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。

（6）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（放在派生类里面），可以帮助⽤⼾检测是否重写。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。

override的一些使用场景：

class Base {
public:
    virtual void show() { 
        std::cout << "Base class\n"; 
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void show() override {  // 正确覆盖基类虚函数
        std::cout << "Derived class\n";
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void Show() override {  // 编译错误：基类没有名为 Show 的虚函数
        std::cout << "Error case\n";
    }
};

class Base {
public:
    virtual void process(int x) {}
};

class Derived : public Base {
public:
    void process(double x) override {  // 编译错误：参数类型不匹配
        std::cout << x;
    }
};

final的使用场景：

// 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;
}

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

class Derived : public Base {
public:
    void execute() override final {  // 允许覆盖，但禁止进一步继承
        std::cout << "Final implementation";
    }
};

class FinalClass : public Derived {
public:
    // void execute() override {}  // 编译错误：不能覆盖 final 函数
};

（7）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

三、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（当我们不期望一个类实例化出对象，那么就可以在类里面添加一个纯虚函数成为抽象类），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。

//抽象类
class Car
{
public:
	virtual void Drive() = 0;
};

class Benz :public Car
{
public:
	virtual void Drive()
	{
		cout << "Bena-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;

    //虽然Car不能实例化出对象，但是其指针可以使用，用指针去定义子类对象，不影响实现多态
	Car* pBenz = new Benz;
	pBenz->Drive();

	Car* pBMW = new BMW;
	pBMW->Drive();

	return 0;
}

四、多态的原理

4.1 虚函数表指针

下⾯编译为32位程序的运⾏结果是什么（）

A. 编译报错

B. 运⾏报错

C. 8

D. 12

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}

	virtual void Func2()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}

	virtual void Func3()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}

protected:
	int _b = 1;
	char _ch = 'x';
};

int main()
{
	Base b;
	cout << sizeof(b) << endl;

	return 0;
}

上⾯题⽬运⾏结果12bytes，除了_b和_ch成员，还多⼀个__vfptr放在对象的前⾯(注意有些平台可能会放到对象的最后⾯，这个跟平台有关)，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual，f代表function)。⼀个含有虚函数的类中都⾄少都有⼀个虚函数表指针，因为⼀个类所有虚函数的地址要被放到这个类对象的虚函数表中，虚函数表也简称虚表。

4.2 多态的原理

（1）多态是如何实现的

从底层的⻆度Func函数中ptr->BuyTicket()，是如何作为ptr指向Person对象调⽤Person::BuyTicket， ptr指向Student对象调⽤Student::BuyTicket的呢？通过下图我们可以看到，满⾜多态条件后，底层不再是编译时通过调⽤对象确定函数的地址，⽽是运⾏时到指向的对象的虚表中确定对应的虚函数的地址，这样就实现了指针或引⽤指向基类就调⽤基类的虚函数，指向派⽣类就调⽤派⽣类对应的虚函数。

class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
private:
	string _name;
	int _age;
};

class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
private:
	string _id;
};

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()
{
	// 其次多态不仅仅发⽣在派⽣类对象之间，多个派⽣类继承基类，重写虚函数后
	// 多态也会发⽣在多个派⽣类之间。
	Person ps;
	Student st;

	Func(&ps);
	Func(&st);

	return 0;
}

为了理解的更深刻更清晰，下面展现调用虚表里面函数的过程。第⼀张图，ptr指向的Person对象，调⽤的是Person的虚函数；第⼆张图，ptr指向的Student对象，调⽤的是Student的虚函数

不满足多态的条件，只看类型，满足多态的条件，看指针指向的内容

（2）动态绑定与静态绑定

对不满⾜多态条件(指针或者引⽤+调⽤虚函数)的函数调⽤是在编译时绑定，也就是编译时确定调⽤函数的地址，叫做静态绑定。
满⾜多态条件的函数调⽤是在运⾏时绑定，也就是在运⾏时到指向对象的虚函数表中找到调⽤函数的地址，也就做动态绑定。

// ptr是指针+BuyTicket是虚函数满⾜多态条件。
// 这⾥就是动态绑定，编译在运⾏时到ptr指向对象的虚函数表中确定调⽤函数地址
	ptr->BuyTicket();
00EF2001 mov	eax, dword ptr[ptr]
00EF2004 mov	edx, dword ptr[eax]
00EF2006 mov	esi, esp
00EF2008 mov	ecx, dword ptr[ptr]
00EF200B mov	eax, dword ptr[edx]
00EF200D call   eax

// BuyTicket不是虚函数，不满⾜多态条件。
// 这⾥就是静态绑定，编译器直接确定调⽤函数地址
	ptr->BuyTicket();
00EA2C91 mov	ecx, dword ptr[ptr]
00EA2C94 call	Student::Student(0EA153Ch)

此时应该理解了本文开头讲的什么是静态多态和动态多态。

（3）虚函数表

class Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }
	virtual void func1() { cout << "func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "func2" << endl; }
	
	int _a1 = 1;
	int _a2 = 2;
};

class Student : public Person {
public:
	virtual void BuyTicket() { cout << "买票-打折" << endl; }
	virtual void func1() { cout << "func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "func2" << endl; }

	int _a3 = 3;
};

int main()
{
	Person p1;
	Person p2;
	Person p3;

	Student s;

	return 0;
}

基类对象的虚函数表中存放基类所有虚函数的地址。同类型的对象共⽤同⼀张虚表，不同类型的对象各⾃有独⽴的虚表，所以基类和派⽣类有各⾃独⽴的虚表。
派⽣类由两部分构成，继承下来的基类和⾃⼰的成员，⼀般情况下，继承下来的基类中有虚函数表指针，⾃⼰就不会再⽣成虚函数表指针。但是要注意的这⾥继承下来的基类部分虚函数表指针和基类对象的虚函数表指针不是同⼀个，就像基类对象的成员和派⽣类对象中的基类对象成员也独⽴的。（即使派生类不对基类进行重写，派生类里面虚表的地址跟基类里面虚函数的地址也不一样）
派⽣类中重写的基类的虚函数，派⽣类的虚函数表中对应的虚函数就会被覆盖成派⽣类重写的虚函数地址。
派⽣类的虚函数表中包含，(1)基类的虚函数地址，(2)派⽣类重写的虚函数地址完成覆盖，派⽣类⾃⼰的虚函数地址三个部分。
虚函数表本质是⼀个存虚函数指针的指针数组，⼀般情况这个数组最后⾯放了⼀个0x00000000标记。(这个C++并没有进⾏规定，各个编译器⾃⾏定义的，vs系列编译器会再后⾯放个0x00000000 标记，g++系列编译不会放)
虚函数存在哪的？虚函数和普通函数⼀样的，编译好后是⼀段指令，都是存在代码段的，只是虚函数的地址⼜存到了虚表中。
虚函数表存在哪的？这个问题严格说并没有标准答案C++标准并没有规定，我们写下⾯的代码可以对⽐验证⼀下。vs下是存在代码段(常量区)

class Base {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
	void func5() { cout << "Base::func5" << endl; }
protected:
	int a = 1;
};
class Derive : public Base
{
public:
	// 重写基类的func1
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	void func4() { cout << "Derive::func4" << endl; }
protected:
	int b = 2;
};

int main()
{
	int i = 0;
	static int j = 1;
	int* p1 = new int;
	const char* p2 = "xxxxxxxx";

	printf("栈:%p\n", &i);
	printf("静态区:%p\n", &j);
	printf("堆:%p\n", p1);
	printf("常量区:%p\n", p2);

	Base b;
	Derive d;
	Base* p3 = &b;
	Derive* p4 = &d;

	printf("Base虚表地址:%p\n", *(int*)p3);
	printf("Derive虚表地址:%p\n", *(int*)p4);
	printf("虚函数地址:%p\n", &Base::func1);
	printf("普通函数地址:%p\n", &Base::func5);

	return 0;
}