多态 | LumosCode

3.1 什么是多态

指同一个接口（函数）作用于不同的对象时，表现出不同的行为。

类型	说明	举例
编译时多态	编译阶段决定调用哪个函数	函数重载、模板、运算符重载
运行时多态	运行阶段决定调用哪个函数	虚函数 + 继承 + 指针/引用

问题	简洁回答
什么是多态？	同一个函数接口，作用于不同类型的对象时，产生不同的行为。
C++ 多态有哪几种？	编译时多态和运行时多态。
如何实现运行时多态？	使用继承、虚函数和基类指针或引用。
虚函数怎么工作的？	每个类有虚函数表，对象有虚指针，调用时查表。
构造函数中能多态吗？	不行。构造和析构中虚函数不会产生多态行为。
为什么析构函数要是虚的？	防止用基类指针删除派生类对象时资源泄露。
`override` 的作用？	显式标明重写父类虚函数，避免误写函数名或签名错误。
多态对性能有影响吗？	有轻微开销（查表一次），但大多数场景可忽略。

3.2 动态多态

✅ 条件：

基类中的函数必须是虚函数（virtual 关键字）
子类必须重写这个虚函数
必须通过基类的指针或引用来调用

✅ 示例代码

#include <iostream>
using namespace std;

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

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

void makeSound(const Animal& a) {
    a.speak();  // 运行时决定调用哪个 speak
}

int main() {
    Dog d;
    makeSound(d);  // 输出：Dog barks
}

3.3 多态的底层机制

在 C++ 中，运行时多态依赖于虚函数机制，它能让你在运行时根据对象的真实类型调用正确的函数。

实现的关键就是两个隐藏机制：

虚函数表（vtable）
虚指针（vptr）

📌 1. vtable（虚函数表）

每个定义了虚函数的类，编译器都会生成一张“虚函数表”（vtable）。
这张表是一个函数指针数组，表中记录的是该类虚函数的地址。
如果类中有继承关系，则子类会继承并可能重写（覆盖）父类的虚函数地址。

📌 2. vptr（虚指针）

每个含有虚函数的对象，内部会自动带有一个隐藏的指针变量 vptr。
vptr 指向该对象所属类的 vtable。
编译器会在对象构造时自动初始化 vptr，在派生类构造阶段会重新指向正确的 vtable。

示例：

class Base {
public:
    virtual void show() { cout << "Base\n"; }
};

class Derived : public Base {
public:
    void show() override { cout << "Derived\n"; }
};

Base* b = new Derived();
b->show();  // 输出：Derived

调用过程如下：

（1）b 是指向 Derived 对象的 Base*

（2）b->show() 实际会变成：

 b->vptr->vtable[0]()

（3）因为 vptr 指向的是 Derived 的 vtable，所以调用的是 Derived::show

🔍vtable 的构造细节
编译器为每个类创建 vtable，是一个只读的全局数组。
如果类没有虚函数，则没有 vtable。
如果类继承了虚函数但没有重写，vtable 中该位置仍指向父类函数。
一旦重写，vtable 中该项会被替换成子类重写版本。
🔍构造 & 析构中的特殊行为
构造函数中调用虚函数不会多态！
因为构造函数阶段，vptr 还没有被初始化为子类的 vtable。
析构函数必须设为 virtual！ 否则使用 Base* 删除 Derived 对象时，只会调用 Base 析构，资源可能泄露。

Derived 对象：

[对象内存]

+---------+-------------------------+

| vptr → | Derived 的 vtable 地址 |

+---------+-------------------------+

| 成员1 | ... |

| 成员2 | ... |

+---------+-------------------------+

vtable 内容（函数指针数组）：

[0] → Derived::show

[1] → Derived::destructor

3.4常见的面试问题

问题1：虚函数怎么实现多态？

✔答：通过 vtable + vptr 实现运行时查表。

问题2：一个对象能有多个 vptr 吗？

✔答：多重继承时可能有多个 vptr。

问题3：构造函数中调用虚函数能多态吗？

✔答：不能，此时 vptr 还指向当前构造类的 vtable。

问题4：为什么要用虚析构函数？

✔答：保证基类指针 delete 派生类对象时调用完整析构链。

问题5：虚函数增加后影响 ABI 吗？

✔答：是的，vtable 的结构可能变化，影响二进制兼容性。