《C++进阶之继承多态》【多态：概念 + 实现 + 拓展 + 原理】

多态（Polymorphism）：是面向对象编程（OOP）的三大核心特性之一，它允许同一操作作用于不同的对象时，可以产生不同的行为。

• 简单说，就是 “一个行为，多种形态”，通过统一的接口处理不同类型的对象，从而提高代码的灵活性和可扩展性。

多态的本质：“一种接口，多种实现”以下从 C++ 的角度，分编译时多态和运行时多态详细解析：

多态的核心价值：是解耦“接口使用”和“具体实现”：

• 调用者只需关注 “做什么”（接口），无需关心 “怎么做”（具体实现）
• 不同对象通过同一接口调用时，会自动执行自身的实现逻辑

C++ 中的多态分类：编译时多态（静态多态）和运行时多态（动态多态）核心区别在于：确定调用哪个实现的时机（编译阶段 vs 运行阶段）

------------多态的实现------------

① 静态多态的实现

静态多态：通过函数重载或模板，编译期根据调用参数确定具体执行的函数。

• 特点：行为确定于编译阶段，效率高，属于 “静态绑定”。

示例 1：函数重载（同一作用域的同名函数，参数不同）

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <iostream> using namespace std; // 重载：根据参数类型/数量，编译期确定调用哪个函数 int Add(int a, int b) { return a + b; } double Add(double a, double b) { return a + b; } int main() { //1.编译期确定调用 Add(int, int) cout << Add(1, 2) << endl; //2.编译期确定调用 Add(double, double) cout << Add(1.5, 2.5) << endl; return 0; }

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示例 2：模板（泛型编程，编译期生成具体代码）

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <iostream> using namespace std; // 模板：编译期根据 T 的类型，生成对应函数 template <typename T> T Add(T a, T b) { return a + b; } int main() { //1.编译期生成 Add<int>(int, int) cout << Add(1, 2) << endl; //2.编译期生成 Add<double>(double, double) cout << Add(1.5, 2.5) << endl; return 0; }

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② 动态多态的实现

动态多态：通过虚函数和继承，运行期根据对象的实际类型确定调用的函数。

• 特点：行为确定于运行阶段，支持动态扩展，属于 “动态绑定”。

核心条件（三要素）：

• 继承：派生类继承基类。
• 虚函数：基类声明 virtual 函数，派生类重写（override）该虚函数。
• 基类指针/引用：通过基类指针或引用调用虚函数，指向派生类对象。

虚函数

虚函数（Virtual Function）：是在基类中声明的、使用virtual关键字修饰的成员函数。

• 虚函数是 C++ 实现动态多态的核心机制。
• 虚函数的目的是为派生类提供一个可重写的接口。
• 虚函数会让程序在运行时根据对象的实际类型调用对应的函数实现。

任务1：基类声明虚函数

代码语言：javascript

AI代码解释

/*---------------------定义：“基类：Shape类”---------------------*/ class Shape { public: virtual void Draw() //基类声明 virtual，为派生类提供重写接口 { cout << "画一个形状" << endl; } };

重写

重写（Override）：是派生类重新实现基类中已声明的虚函数，让同一接口在不同派生类中有不同行为。

• 重写是 C++ 面向对象编程中实现动态多态的关键机制。

重写的严格规则（三同原则 + 协变返回）派生类重写基类虚函数时，需满足以下条件，否则会变成“隐藏”而非“重写”1. 三同原则（基本规则）

• 函数名相同：派生类函数名必须与基类虚函数完全一致
• 参数列表相同：参数的类型、数量、顺序必须完全一致
• 返回值类型相同：C++ 要求返回值类型严格一致，除非是协变返回类型

任务2：派生类重写虚函数

代码语言：javascript

AI代码解释

/*---------------------定义：“派生类：Circle类”---------------------*/ class Circle : public Shape { public: //1.派生类重写基类虚函数Draw() void Draw() { cout << "画一个圆" << endl; } }; /*---------------------定义：“派生类：Rectangle类”---------------------*/ class Rectangle : public Shape { public: //1.派生类重写基类虚函数Draw() void Draw() { cout << "画一个矩形" << endl; } };

协变

2. 协变返回（特殊情况）协变返回类型：是指若基类虚函数返回基类指针/引用，派生类重写的函数可返回派生类指针/引用，仍视为重写。

代码语言：javascript

AI代码解释

class Base { public: virtual Base* Clone() // 基类虚函数返回 Base* { return new Base(); } }; class Derived : public Base { public: Derived* Clone() // 派生类重写，返回 Derived*（协变返回） { return new Derived(); } };

代码示例1：运行时多态的实现

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <iostream> using namespace std; /*---------------------定义：“基类：Shape类”---------------------*/ class Shape { public: //1.基类定义虚函数Draw() virtual void Draw() //基类声明 virtual，为派生类提供重写接口 { cout << "画一个形状" << endl; } }; /*---------------------定义：“派生类：Circle类”---------------------*/ class Circle : public Shape { public: //1.派生类重写基类虚函数Draw() void Draw() { cout << "画一个圆" << endl; } }; /*---------------------定义：“派生类：Rectangle类”---------------------*/ class Rectangle : public Shape { public: //1.派生类重写基类虚函数Draw() void Draw() { cout << "画一个矩形" << endl; } }; int main() { //1.基类指针指向派生类对象 Shape* shape1 = new Circle(); Shape* shape2 = new Rectangle(); //2.运行时根据对象实际类型，调用对应 Draw 函数 shape1->Draw(); // 输出：画一个圆（Circle 的 Draw） shape2->Draw(); // 输出：画一个矩形（Rectangle 的 Draw） delete shape1; delete shape2; return 0; }

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代码示例2：运行时多态的实现

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <iostream> using namespace std; /*---------------------定义：“基类：Person类”---------------------*/ class Person { public: virtual void BuyTicket() //基类声明 virtual，为派生类提供重写接口 { cout << "买票-全价" << endl; } }; /*---------------------定义：“派生类：Student类”---------------------*/ class Student : public Person { public: virtual void BuyTicket() //重写基类的虚函数 BuyTicket { cout << "买票-打折" << endl; } }; void Func(Person* ptr) //注意：通过基类指针调用虚函数，实际执行的是指针指向对象的重写版本 { ptr->BuyTicket(); /* 多态的核心逻辑： * 1.虽然调用的是 Person 指针的 BuyTicket， * 2.但实际执行的函数由 ptr 指向的对象的真实类型决定（Person 或 Student） * 3.这就是运行时多态（动态绑定）的体现 */ } int main() { //1.创建：“基类 + 派生类”的对象 Person ps; Student st; //2.调用 Func 函数，分别传入“Person + Student”对象的地址 Func(&ps); //ptr 是 Person* 类型，指向 Person 对象，调用 Person::BuyTicket Func(&st); //ptr 是 Person* 类型，但指向 Student 对象，调用 Student::BuyTicket（重写版本） return 0; }

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------------多态的拓展------------

1. override的意义与使用？

在 C++ 中，派生类重写基类虚函数时，即使派生类的函数不加virtual关键字，也能构成重写。 这是因为：基类的虚函数被继承到派生类后，会自动保持 “虚函数” 的属性，无需重复声明 virtual

但这种写法不规范，原因有二：

• 可读性差：其他开发者阅读代码时，无法直观识别这是虚函数重写。
• 维护风险：若后续修改基类（如：删除虚函数关键字 ），派生类的重写逻辑会被破坏，且难以排查。

因此：C++11 及以上建议用 override 关键字显式标记重写，既规范又能让编译器帮你检查重写是否正确（如：函数名、参数不匹配时会报错 ）

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <iostream> using namespace std; /*---------------------定义：“基类：Animal类”---------------------*/ class Animal { public: virtual void makeSound() { cout << "动物发出声音" << endl; } }; /*---------------------定义：“派生类：Dog类”---------------------*/ class Dog : public Animal { public: //写法1：隐式重写（不推荐） void makeSound() { cout << "汪汪汪！" << endl; } }; /*---------------------定义：“派生类：Cat类”---------------------*/ class Cat : public Animal { public: //写法2：显式用override标记（推荐） void makeSound() override { cout << "喵喵喵~" << endl; } }; /*---------------------测试函数：通过基类指针调用虚函数---------------------*/ void playSound(Animal* animal) { animal->makeSound(); //多态调用 } int main() { //1.创建：“基类 + 派生类”的对象 Animal generic; Dog dog; Cat cat; //2.调用playSound函数进行多态调用 playSound(&generic); // 输出：动物发出声音 playSound(&dog); // 输出：汪汪汪！ playSound(&cat); // 输出：喵喵喵~ return 0; }

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2. final关键字怎么使用？

final 关键字：用于限制类的继承或虚函数的重写，增强代码的安全性和可维护性。

final关键字有两种用法：

• 修饰类：禁止该类被继承（即该类不能作为基类）
• 修饰虚函数：禁止派生类重写该虚函数

1. 修饰类（禁止继承）

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <iostream> using namespace std; class Base { // 基类成员 }; class Derived final : public Base //注意：使用 final 修饰，禁止被继承 { // 最终派生类成员 }; class IllegalDerived : public Derived //编译错误：无法从 final 类 Derived 派生 { // ... }; int main() { //1.创建“最终派生类”的对象 Derived d; //正确：可以正常创建 final 类的对象 cout << "成功创建 Derived 对象（final 类）" << endl; //2.创建“继承最终派生类”的对象 IllegalDerived i; //错误：无法实例化从 final 类派生的类 return 0; }

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2. 修饰虚函数（禁止重写）

代码语言：javascript

AI代码解释

#include <iostream> using namespace std; class Base { public: //1.声明虚函数，允许派生类重写 virtual void func() { cout << "Base::func()" << endl; } //2.声明虚函数并用 final 修饰，禁止派生类重写 virtual void finalFunc() final { cout << "Base::finalFunc()" << endl; } }; class Derived : public Base { public: //1.正常重写非 final 的虚函数 void func() override { cout << "Derived::func()" << endl; } //2.编译错误：void Derived::finalFunc() 重写 final 函数 void finalFunc() override { cout << "Derived::finalFunc()" << endl; } }; int main() { //1.测试虚函数重写 Base* ptr = new Derived(); ptr->func(); // 调用 Derived::func()（多态） //2.测试 final 函数 ptr->finalFunc(); // 错误：Derived::finalFunc() 无法重写 Base::finalFunc() delete ptr; return 0; }

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3. 析构函数是怎么进行重写的？

在 C++ 中，当基类的析构函数被声明为虚函数时，只要派生类定义了析构函数，无论是否添加virtual关键字，该派生类析构函数都会与基类析构函数构成重写。

• 尽管基类析构函数（如：~Base()）和派生类析构函数（如：~Derived()）名字不同，看似不符合重写 “函数名相同” 的规则。
• 但实际上编译器会对析构函数名称做特殊处理，将编译后的名称统一处理为destructor，从而实现重写机制。

通过下面的代码示例可以看到：

• 如果基类析构函数~A()没有加virtual修饰，那么在执行delete p2时，只会调用基类A的析构函数，而不会调用派生类B的析构函数。
• 若派生类B的析构函数~B()中包含资源释放的逻辑，这种情况就会导致资源无法正常释放，进而引发内存泄漏问题 。

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