C++中的虚函数与多态

一、虚函数的工作机制

当你在C++中使用虚函数时，编译器会为每个类生成一个虚函数表（Vtable），并为每个对象添加一个虚指针（Vptr），该指针指向该对象所属类的Vtable。每当调用虚函数时，程序会通过这个指针来找到实际应该调用的函数。

Vtable的结构：每个Vtable存储了类的所有虚函数的地址。这使得可以通过基类指针或引用调用派生类的实现。
Vptr的作用：它在对象构造时被初始化，指向正确的Vtable。随着对象的析构，Vptr也被正确管理。

二、重载、覆盖与隐藏的区别

在C++中，重载、覆盖和隐藏是三种不同的函数处理方式。

重载（Overloading）：
- 函数名相同，但参数列表不同（参数类型或数量）。
- 发生在同一作用域中，编译器通过参数列表确定调用哪个函数。
```
class Example {
public:
    void func(int a) { std::cout << "Integer: " << a << std::endl; }
    void func(double b) { std::cout << "Double: " << b << std::endl; }
};
```
覆盖（Overriding）：
- 子类中重写父类的虚函数，确保调用子类的实现。
- 要求返回类型、参数列表完全相同，并且父类函数必须是虚函数。
```
class Parent {
public:
    virtual void show() { std::cout << "Parent show" << std::endl; }
};
```

隐藏（Hiding）：

子类中定义与父类同名的非虚函数，会隐藏父类中所有同名函数。
无论是否使用virtual，如果参数列表不同，都会隐藏。

class Base {
public:
    void func(int a) { std::cout << "Base int" << std::endl; }
};
class Derived : public Base {
public:
    void func(double b) { std::cout << "Derived double" << std::endl; } // 隐藏了Base的func
};

三、多态的两种形式

在C++中，多态分为静态多态（编译时多态）和动态多态（运行时多态）。

静态多态：通过函数重载和模板实现。
- 编译器在编译阶段决定使用哪个函数，适合在参数类型或数量固定的情况下使用。
动态多态：通过虚函数实现。
- 运行时根据对象的实际类型来调用相应的虚函数，适合于需要在运行时确定行为的场景。

四、纯虚函数与抽象类的使用

纯虚函数：
- 允许你定义一个接口，强制子类实现特定的功能。
- 例如，设计图形类时，可以定义一个draw函数为纯虚函数，所有子类（如圆形、方形）都必须实现自己的draw方法。
```
class Shape {
public:
    virtual void draw() = 0; // 纯虚函数
};
```

抽象类：

不能直接实例化的类，只能作为基类。
可以包含实现了的普通成员函数，但必须至少有一个纯虚函数。

class AbstractShape {
public:
    virtual void draw() = 0; // 纯虚函数
    void display() { std::cout << "Displaying shape." << std::endl; } // 普通成员函数
};

五、虚析构函数的细节

使用虚析构函数可以确保在删除基类指针指向的派生类对象时，先调用派生类的析构函数，再调用基类的析构函数，从而释放资源，避免内存泄漏。

析构顺序：
- 当通过基类指针删除对象时，首先会调用派生类的析构函数，然后是基类的析构函数，确保先释放子类的资源。
不加虚析构的风险：
- 如果不将析构函数声明为虚的，删除基类指针时只会调用基类的析构函数，子类的析构函数不会被调用，可能导致资源泄漏。

六、使用场景

接口设计：使用抽象类和纯虚函数设计接口，使得不同的类可以实现相同的接口，增强代码的可扩展性。
工厂模式：结合多态，可以在工厂类中返回基类指针，用户不需要知道具体的实现类，通过多态特性使用不同的实现。
策略模式：定义一系列算法，将每一个算法封装起来，使得它们可以相互替换，支持动态变化。

七、总结

通过深入理解虚函数、覆盖、多态以及纯虚函数和抽象类，程序员可以编写出更加灵活、可维护和可扩展的代码。这些概念不仅是C++编程的基础，也是许多设计模式的核心。希望本篇博客能够为你提供更深入的C++知识，并在实践中得心应手。