第八章 多态

一、关于多态的基础概念

1. 什么是多态？

• 广义定义：多态（Polymorphism）意味着“多种形态”。在编程中，它指的是同一个接口（函数名），在不同的对象上表现出不同的行为。
• C++ 中的分类：
  1. 静态多态（编译期多态）：通过**函数重载（Overload）和模板（Template）**实现。编译器在编译阶段就确定了调用哪个函数。
  2. 动态多态（运行期多态）：通过**继承 + 虚函数（Virtual Function）**实现。程序在运行阶段，根据对象的实际类型来决定调用哪个函数。(本章复习的重点就是动态多态)。
• 意义与目的：实现接口复用和代码解耦。让程序员可以编写出处理基类的通用代码，而无需关心具体子类的实现细节。

2. 产生多态的条件有哪些？

必须同时满足以下三个条件，才能产生运行期多态：

1. 存在继承关系：必须有父类和子类。
2. 虚函数重写（Override）：子类必须重写（覆盖）父类的虚函数。要求函数名、参数列表、返回类型（协变除外）完全相同，且父类函数必须有 virtual 关键字。
3. 父类指针或引用指向子类对象：必须通过父类的指针（Base* ptr = new Derived();）或引用（Base& ref = derivedObj;）来调用虚函数。

• (补充：如果是直接通过对象赋值，如 Base b = derivedObj;，会发生对象切片，无法触发多态。)

3. 什么是虚函数？

• 定义：在类的成员函数声明前加上 virtual 关键字的函数。
• 作用：告诉编译器这个函数需要动态绑定（Dynamic Binding）。当通过父类指针或引用调用该函数时，编译器不会在编译期固定调用父类的版本，而是生成代码在运行期去查找该对象实际类型对应的函数版本。

二、虚函数机制的底层原理（重难点）

4. 虚函数机制的原理是什么？ 一个对象对应一个虚函数表，还是一个类对应一个虚函数表？

• 答案：一个类对应一个虚函数表（vtable），一个对象对应一个虚函数表指针（vptr）。
• 底层原理解析：
  1. 虚函数表（Virtual Table, vtable）：如果一个类包含虚函数，编译器会在编译期为该类生成一张虚函数表。这是一个存放在只读数据段（.rodata）的数组，里面存放的是该类所有虚函数的入口地址。(注意：同一个类的所有对象共享同一张 vtable)。
  2. 虚函数表指针（Virtual Pointer, vptr）：编译器会在包含虚函数的类的对象内存布局的最前面（通常是前 8 字节，64位系统），偷偷插入一个指针，即 vptr。这个指针在运行期（对象构造时）被初始化，指向该对象所属类的 vtable。
  3. 动态绑定的过程：当通过父类指针 ptr->func() 调用虚函数时，底层汇编会执行以下步骤：
     • 取出 ptr 指向对象中的 vptr。
     • 通过 vptr 找到对应的 vtable。
     • 在 vtable 中查找 func 的偏移量，取出对应的函数地址。
     • 跳转到该地址执行代码。
     • 由于 ptr 实际指向的是子类对象，其 vptr 指向的是子类的 vtable，因此调用的就是子类重写后的函数。

三、概念辨析与进阶

5. oversea VS overload VS override 用自己的话描述

(注：图片中的 oversea 应该是笔误，正确术语是 Override（重写/覆盖）。还有另一个容易混淆的概念是 Hide（隐藏）。)

• Overload（重载）：
  • 范围：同一个作用域内（如同一个类中）。
  • 条件：函数名相同，但参数列表不同（参数个数、类型、顺序不同）。与返回值无关。
  • 本质：编译期多态。编译器根据传入的参数类型来决定调用哪个函数。
• Override（重写/覆盖）：
  • 范围：父子类之间（不同作用域）。
  • 条件：子类定义了与父类完全相同的虚函数（函数名、参数列表、返回类型都相同）。
  • 本质：运行期多态。子类覆盖了父类虚函数在 vtable 中的地址，从而触发动态绑定。
  • C++11 建议：在子类重写的函数后加上 override 关键字，让编译器帮你检查是否写错了参数，避免本该是重写却变成了隐藏。
• Hide（隐藏/遮蔽）：
  • 范围：父子类之间。
  • 条件：子类定义了与父类同名的成员（变量或函数），但不符合重写条件（例如参数不同，或者父类函数没有 virtual）。
  • 结果：父类的同名成员在子类作用域中被隐藏。需要在子类中调用父类被隐藏的函数时，必须加 Base::func()。

6. 什么是纯虚函数？

• 定义：在虚函数声明后加上 = 0，且没有函数体的虚函数。

  virtual void show() = 0;
  

• 作用：纯虚函数是一种“接口规范”，它告诉子类“你必须实现这个功能，但我（父类）不知道怎么实现”。包含纯虚函数的类不能实例化对象。

7. 什么是抽象类？抽象类有什么特点？

• 定义：包含至少一个纯虚函数的类，称为抽象类（Abstract Class）。
• 特点：
  1. 不能实例化对象：Base b; 或 new Base(); 都会编译报错。只能定义指向它的指针或引用。
  2. 只能作为基类：主要用于被继承，为派生类提供统一的接口规范（类似于 Java 中的 interface，但 C++ 抽象类还可以包含成员变量和非虚函数）。
  3. 子类的责任：如果子类没有实现父类所有的纯虚函数，那么这个子类也依然是抽象类，无法实例化。只有实现了所有纯虚函数，子类才能被实例化。
  4. 可以有构造函数：虽然抽象类不能直接实例化，但它的构造函数会在子类对象构造时被调用，用于初始化抽象类中的成员变量。

四、多态相关的面试高频延伸（必看）

1. 为什么父类的析构函数要写成虚函数（virtual destructor）？
   • 原因：当用父类指针指向子类对象，并在最后 delete 该指针时，如果父类析构函数不是虚函数，只会调用父类的析构函数，子类特有的资源（如动态内存）就不会被释放，造成内存泄漏。写成虚函数后，会先调用子类析构，再调用父类析构，保证资源完全释放。
2. 构造函数能不能是虚函数？
   • 不能。因为虚函数的调用依赖于 vptr，而 vptr 是在构造函数执行阶段才被初始化的。在调用构造函数时，对象还不存在，vptr 还没设置好，无法实现动态绑定。
3. 内联函数（inline）能不能是虚函数？
   • 可以，但通常不会内联。当通过对象直接调用（非多态）时，编译器可能内联；但当通过指针或引用调用（多态）时，必须在运行期查表，此时内联失效。
4. 静态成员函数能不能是虚函数？
   • 不能。静态成员函数属于类，不属于对象，没有 this 指针，无法访问 vptr，因此无法实现多态。