C++多态与虚函数

一、虚函数基础

1. 概念定义

• 虚函数：用virtual关键字声明的成员函数
• 核心作用：实现运行时多态，允许派生类重写基类方法
• 调用特性：通过基类指针/引用调用时，根据实际对象类型决定调用版本

2. 定义格式

cpp

class Base {
public:
    virtual ReturnType funcName(ParameterList); 
    // 虚函数声明
};

3. 函数重写要求

• 三同原则：
  1. 函数名相同
  2. 参数列表相同
  3. 返回类型相同（C++11允许协变返回类型）

二、多态实现三要素

1. 继承关系：存在继承体系的类层次结构
2. 虚函数重写：派生类重写基类虚函数
3. 基类指针/引用：使用基类类型的指针或引用操作派生类对象

三、纯虚函数与抽象类

1. 定义格式

cpp

virtual ReturnType funcName() = 0;

2. 核心特性

• 使类成为抽象类（不可实例化）
• 强制派生类必须实现该接口
• 典型应用场景：
  • 定义接口规范
  • 创建通用基类模板

四、虚函数表机制

1. 实现原理

• vtable：编译器为含虚函数的类生成的函数指针数组
• vptr：每个对象隐含的指向vtable的指针（通常位于对象起始位置）

2. 继承体系中的表现

五、特殊函数处理

1. 虚析构函数

cpp

class Base {
public:
    virtual ~Base() {} // 虚析构函数声明
};

• 必要性：确保通过基类指针删除派生类对象时正确调用完整析构链
• 内存安全：防止派生类资源泄漏

2. 限制说明

构造函数

：

• 不能为虚函数（对象构造时vptr尚未初始化）

• 不能声明为virtual

友元函数

：

• 不属于类成员，不能声明为虚函数

六、现代C++特性

1. override关键字

cpp

class Derived : public Base {
    void func() override; // 显式声明重写
};

• 作用：显式标记函数重写，增强代码可读性
• 优势：编译器检查重写有效性，避免签名错误

2. final关键字

cpp

class Base {
    virtual void func() final; // 禁止派生类重写
};

class Derived final {}; // 禁止继续继承

• 类级使用：禁止类被继承
• 函数级使用：禁止虚函数被重写

七、关键注意事项

1. 运行时成本：虚函数调用比普通函数多一次间接寻址（查vtable）

2. 对象大小：每个含虚函数的对象增加一个指针大小（vptr）

构造/析构顺序

：

• 构造函数中虚函数机制未完全建立
• 析构函数中虚函数机制已部分销毁

4. 接口设计：优先使用纯虚函数定义抽象接口

5. 继承深度：建议不超过3层，避免过度复杂的继承体系

八、典型代码示例

cpp

// 抽象基类
class Shape {
public:
    virtual double area() const = 0; // 纯虚函数
    virtual ~Shape() = default;      // 虚析构函数
};

class Circle : public Shape {
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    double area() const override {   // 实现纯虚函数
        return 3.14159 * radius * radius;
    }
};

// 使用示例
void printArea(const Shape& shape) {
    cout << "Area: " << shape.area(); // 多态调用
}

int main() {
    Circle c(5.0);
    printArea(c);  // 输出正确的圆面积
    return 0;
}