C++多态实现方式 虚函数重写机制

多态通过虚函数实现，允许基类指针调用派生类函数。C++使用虚函数表（vtable）和虚函数指针（vptr）实现动态绑定，每个含虚函数的类有vtable存储虚函数地址，对象包含指向vtable的vptr。虚函数重写需满足：基类函数为virtual，派生类函数与基类同名、同参数、同返回类型（协变除外），非静态且非构造函数。示例中Animal基类的speak被Dog和Cat重写，通过基类指针调用时根据实际对象类型执行对应函数，体现运行时多态。关键点：动态绑定在运行时发生；建议使用override关键字确保正确重写；基类析构函数应为虚函数以防资源泄漏；虚函数有轻微性能开销但通常可忽略。理解vtable机制和重写规则是掌握C++多态的关键。

在C++中，多态是面向对象编程的核心特性之一，它允许通过基类指针或引用调用派生类的函数，实现“一个接口，多种实现”。多态的实现主要依赖于虚函数和虚函数重写机制。

虚函数与虚函数表

在基类中使用virtual关键字声明的函数称为虚函数。当派生类中定义了与基类虚函数同名、同参数列表、同返回类型的函数时，该函数会重写（override）基类的虚函数。

C++通过虚函数表（vtable）和虚函数指针（vptr）实现动态绑定：

• 每个包含虚函数的类都有一个编译时生成的虚函数表，表中存放该类所有虚函数的地址。
• 每个对象内部包含一个指向其类虚函数表的指针（vptr），在构造时自动设置。
• 当通过基类指针调用虚函数时，程序根据对象实际类型查找vtable，找到对应的函数地址，实现运行时多态。

虚函数重写的条件

要正确实现虚函数重写，必须满足以下条件：

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• 基类函数必须是虚函数（使用virtual声明）。
• 派生类函数与基类函数的函数名、参数列表、返回类型必须完全相同（协变返回类型除外）。
• 访问权限不影响重写，但通常建议保持一致。
• 函数不能是静态函数或构造函数。

示例代码说明

以下代码展示虚函数重写和多态调用：

#include <iostream>
using namespace std;
<p>class Animal {
public:
virtual void speak() {
cout << "Animal speaks" << endl;
}
virtual ~Animal() {} // 虚析构函数，防止资源泄漏
};</p><p>class Dog : public Animal {
public:
void speak() override {  // 明确标记重写
cout << "Dog barks" << endl;
}
};</p><p>class Cat : public Animal {
public:
void speak() override {
cout << "Cat meows" << endl;
}
};</p><p>int main() {
Animal<em> a1 = new Dog();
Animal</em> a2 = new Cat();</p><pre class='brush:php;toolbar:false;'>a1->speak(); // 输出: Dog barks
a2->speak(); // 输出: Cat meows

delete a1;
delete a2;
return 0;

}

在这个例子中，虽然指针类型是Animal*，但调用的是实际对象的speak函数，体现了运行时多态。

关键点总结

• 虚函数实现多态的核心是动态绑定，发生在运行时。
• 重写必须满足签名一致，推荐使用override关键字帮助编译器检查。
• 基类的析构函数应声明为虚函数，避免派生类对象通过基类指针删除时资源泄漏。
• 虚函数机制有轻微性能开销（查表），但大多数场景下可忽略。

基本上就这些。理解虚函数表机制和重写规则，就能正确设计和使用C++多态。

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