【c++】多态

在面向对象程序设计中，多态性是一项核心技术，讨论的是不同层次/同一层次 之间同名成员函数关系问题

分为编译时多态和运行时多态
联编:标识符名和存储地址联系在一起的过程、函数调用和函数入口地址相结合的过程

一、编译时多态

定义：在编译阶段确定调用的具体函数，通过静态联编实现。
静态联编：函数地址早绑定，编译链接阶段将函数调用和函数实现关联起来。
实现方式：

1. 函数重载：同一作用域内，同名函数通过参数列表（类型、数量、顺序）区分。
2. 运算符重载：通过operator关键字为类定义特定运算符的行为。
3. 函数模板

示例：

class Calculator {
public:
    int add(int a, int b) { return a + b; }
    double add(double a, double b) { return a + b; }
};
// 编译器根据参数类型选择正确函数
Calculator calc;
calc.add(1, 2);      // 调用int版本
calc.add(1.5, 2.5);  // 调用double版本

二、运行时多态

定义：在程序运行时根据对象的实际类型确定调用的函数，通过动态联编实现。

动态联编：

• 函数地址晚绑定，在运行时将函数调用和函数实现关联。
• c++中 使用类类型的指针或引用调动虚函数，程序在运行时选择虚函数（查虚表）的过程称为动态联编

实现方式：公有继承+虚函数+指针或引用调动虚函数

实现原理：虚表指针（vfptr）+虚表（vtable）+动态联编

1公有继承+虚函数+指针或引用调动虚函数

相关类型和共同特征转移到基类中，将共同的方法声明为共有的虚函数接口，派生类继承基类，重写虚函数，完成具体功能，调用时使用基类的指针/引用指向派生类对象，对虚函数的调用会自动绑定到派生类重写的虚函数上。

同一接口，多种实现方式

1.1虚函数

• 虚函数：在基类中使用virtual关键字声明，派生类可重写的函数
• 支持运行时多态

虚函数重写规则

• 函数原型一致：派生类虚函数必须与基类虚函数的名称、参数列表和返回类型（协变除外）一致。
• 协变返回类型：允许返回类型为基类返回类型的派生类（仅限指针/引用）。
• override关键字（C++11）：显式标记重写，增强代码可读性并防止签名错误。

关键限制与特性

• 静态成员函数，友元函数，外部函数：不能为虚函数。
• 构造函数，拷贝构造函数：不能为虚函数（vptr在构造期间初始化）。
• 析构函数：应声明为虚函数，确保正确调用派生类析构函数。
• 纯虚函数：通过virtual void func() = 0;定义接口，使类成为抽象基类，抽象类无法实例化对象。

其它

• 函数执行速度稍慢，因为需要查表操作
• 类的成员函数为虚函数，则该类派生出的所有类型中 该函数均保持虚函数特性。

2虚表指针（vfptr）+虚表（vtable）+动态联编

2.1虚表指针（vptr）：

• 每个对象实例包含一个指向其类虚表的指针（vptr），位于最顶层基类中。
• 构造函数中隐式初始化vptr，指向当前类的虚表。

2.1.1 对象内存布局

+-------------------+
| vptr              | → 指向类的虚表
| 成员变量1          |
| 成员变量2          |
| ...               |
+-------------------+

2.2虚表（vtable）

• 虚函数地址表，存储该类所有虚函数的地址的指针数组。
• 类型设计有虚函数，这个类就有虚函数表
• 虚表在编译时生成，存放在只读数据段。
• 每个类的虚表只有一份被该类所有对象共享

2.2.1 虚表结构

+-------------------+
| 虚表 (vtable)     |
+-------------------+
| RTTI 类型识别信息  |  // 运行时类型信息
| 虚函数1的地址      |
| 虚函数2的地址      |
| ...              |
| nullptr          |
+-------------------+

2.3派生类虚表生成

派生类将基类的虚表拷贝下来，并将重写的虚函数同名覆盖掉–>基类指针由于自身类型，只能调用派生类中自己定义过的同名函数。不能调用只属于基类的虚函数
派生类新增虚函数添加到复制的基类的虚表末尾。

2.4动态联编

当通过指针或引用调用虚函数时：

1. 通过对象的vptr找到虚表。
2. 从虚表中查找对应虚函数的地址。
3. 执行该地址指向的函数。

示例：

class Animal {
public:
    virtual void speak() { cout << "Animal sound" << endl; }
};

class Dog : public Animal {
public:
    void speak() override { cout << "Woof!" << endl; }
};

Animal* animal = new Dog();
animal->speak();  // 输出 "Woof!"（动态绑定）

后面会介绍 多态中 构造函数 析构函数 以及RTTI