目录
一、引言??
二、多态的基本概念
（一）什么是多态
（二）多态的类型
（三）实现多态的条件
三、运行时多态（虚函数的使用）
（一）虚函数的基本概念
（二）虚函数的定义与用法
（三）虚函数的重写
（四）C++11 override和final关键字
（五）纯虚函数与抽象类
（六）多态实现原理
虚函数表：
多态的原理
单继承中的虚函数表
多态的应用场景与实践
（一）多态在设计模式中的应用
一、引言??
多态（Polymorphism）是面向对象编程中的关键概念，在 C++ 语言中占据着重要地位。它为代码复用和灵活设计提供了强大的支持，使得程序能够以更优雅、更可扩展的方式应对复杂的业务逻辑。本文将深入探讨 C++ 多态的各个方面，包括基本概念、实现方式以及应用场景等。
前言
需要声明的，本节课件中的代码及解释都是在vs2013下的x86程序中，涉及的指针都是4bytes。如果要其他平台下，部分代码需要改动。比如：如果是x64程序，则需要考虑指针是8bytes问题等
二、多态的基本概念
（一）什么是多态
在面向对象编程中，多态意味着同一个接口可以被不同的对象以不同的方式实现。具体到 C++，可以通过基类指针或引用调用不同派生类的成员函数，对象在运行时会根据其实际类型来决定调用哪个派生类的函数。
概念：多态的概念：通俗来说，就是多种形态，具体点就是去完成某个行为，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。
举个栗子：比如买票这个行为，当普通人买票时，是全价买票；学生买票时，是半价买票；军人买票时是优先买票。
再举个栗子： 最近为了争夺在线支付市场，支付宝年底经常会做诱人的扫红包-支付-给奖励金的活动。那么大家想想为什么有人扫的红包又大又新鲜8块、10块...，而有人扫的红包都是1毛，5毛....。其实这背后也是一个多态行为。支付宝首先会分析你的账户数据，比如你是新用户、比如你没有经常支付宝支付等等，那么你需要被鼓励使用支付宝，那么就你扫码金额 = random()%99；比如你经常使用支付宝支付或者支付宝账户中常年没钱，那么就不需要太鼓励你去使用支付宝，那么就你扫码金额 = random()%1；总结一下：同样是扫码动作，不同的用户扫得到的不一样的红包，这也是一种多态行为。ps：支付宝红包问题纯属瞎编，大家仅供娱乐。
（二）多态的类型
1.编译时多态（静态多态）
在编译期间就确定要调用的函数。例如函数重载、运算符重载和模板都属于编译时多态。函数重载是指在同一作用域内定义多个同名函数，但参数列表不同；运算符重载则是对已有运算符赋予新的操作含义，使其能用于自定义类型。
2.运行时多态（动态多态）
在程序运行期间决定调用的函数。这是本文重点探讨的内容，主要通过虚函数（virtual function）机制来实现。
（三）实现多态的条件
1.继承关系
基类和派生类之间必须存在继承关系。派生类继承基类的属性和方法，并在此基础上可以进行扩展和修改。
2.虚函数声明
基类中的相关函数必须被声明为virtual。这样派生类才能对其进行重写，从而实现不同的行为。
3.基类指针或引用
通过基类的指针或引用来指向派生类的对象。这样在调用函数时，就可以根据对象的实际类型动态地选择执行派生类中的重写函数。
例1：
以下是一个简单的示例代码：
#include <iostream>using namespace std;// 基类class Shape {public: virtual void draw() { cout << "Drawing a basic shape" << endl; }};// 派生类1class Circle : public Shape {public: void draw() override { cout << "Drawing a circle" << endl; }};// 派生类2class Square : public Shape {public: void draw() override { cout << "Drawing a square" << endl; }};int main() { Shape* shape1 = new Circle(); Shape* shape2 = new Square(); shape1->draw(); // 输出 "Drawing a circle" shape2->draw(); // 输出 "Drawing a square" delete shape1; delete shape2; return 0;}在这个示例中，Shape是基类，Circle和Square是派生类。通过基类指针shape1和shape2分别指向不同的派生类对象，调用draw函数时实现了运行时多态。
三、运行时多态（虚函数的使用）
（一）虚函数的基本概念
虚函数是实现 C++ 运行时多态的核心要素。它允许派生类重写基类的函数，使得在程序运行时能够根据对象的实际类型来调用对应的函数版本。
（二）虚函数的定义与用法
定义 在 C++ 中，虚函数通过virtual关键字进行声明。例如： class Base {public: virtual void display() { cout << "Base display" << endl; }};display函数被声明为虚函数，派生类可以重写这个函数。 用法示例 以下是一个完整的虚函数使用示例： #include <iostream>using namespace std;class Animal {public: virtual void sound() { cout << "Animal makes a sound" << endl; }};class Dog : public Animal {public: void sound() override { cout << "Woof!" << endl; }};class Cat : public Animal {public: void sound() override { cout << "Meow!" << endl; }};int main() { Animal* animal1 = new Dog(); Animal* animal2 = new Cat(); animal1->sound(); // 输出 "Woof!" animal2->sound(); // 输出 "Meow!" delete animal1; delete animal2; return 0;}Animal的指针指向不同的派生类对象，实际调用的是派生类中重写的sound函数。 （三）虚函数的重写
虚函数的重写(覆盖)：派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数(即派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表完全相同)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。子类的参数列表，返回值，被父类重写，也就是全变成和父类一样。
例1：（重写基类虚函数时，派生类虚函数可以不加virtual）
class Person {public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }};class Student : public Person {public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }}；/*注意：在重写基类虚函数时，派生类的虚函数在不加virtual关键字时，虽然也可以构成重写(因为继承后基类的虚函数被继承下来了在派生类依旧保持虚函数属性),但是该种写法不是很规范，不建议这样使用*//*void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }*/void Func(Person& p){ p.BuyTicket(); }int main(){Person ps;Student st;Func(ps); Func(st);return 0;}例二：子类的参数列表，返回值，被父类重写，也就是全变成和父类一样。
#include <iostream>using namespace std;class Person{public:virtual void func(int a = 10) { cout << "Person a: " << a << endl; }};class Student : public Person{public:virtual void func(int a = 20) { cout << "Student a: " << a << endl; }};int main(){Person* p = new Student();p->func();return 0;} 
不难看出，子类Student中虚函数func ，实际上是Person中func的返回值、函数名参数列表+Student中func的函数体组合而成。
注意:
1.除了类中的成员函数外，普通函数不能添加 virtual 关键字进行修饰，因为虚函数、虚函数表、虚表指针是一体的，普通函数没有。
2.此处的 virtual 修饰函数为虚函数，与 virtual 修饰类继承为虚继承没有关系:一个是实现多态的基础，而另一个是解决萎形继承的问题。
3.同样的，假设不是父类指针或引用进行调用，不会构成多态，也不会发生重写(覆盖)行为
虚函数重写的两个例外：
1. 协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)
派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型不同。即基类虚函数返回基类对象的指针或者引用，派生类虚函数返回派生类对象的指针或者引用时，称为协变。（了解）
class A{};class B : public A {};class Person {public:virtual A* f() {return new A;}};class Student : public Person {public:virtual B* f() {return new B;}}2. 析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)
如果基类的析构函数为虚函数，此时派生类析构函数只要定义，无论是否加virtual关键字，都与基类的析构函数构成重写，虽然基类与派生类析构函数名字不同。虽然函数名不相同，看起来违背了重写的规则，其实不然，这里可以理解为编译器对析构函数的名称做了特殊处理，编译后析构函数的名称统一处理成destructor。
class Person {public:virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}};class Student : public Person {public:virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }};// 只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数，下面的delete对象调用析构函数，才能构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确的调用析构函数。int main(){Person* p1 = new Person;Person* p2 = new Student;delete p1;delete p2;return 0;（四）C++11 override和final关键字
从上面可以看出，C++对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重载，而这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运行时没有得到预期结果才来debug会得不偿失，因此：C++11提供了override和final两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。
override关键字 在 C++ 中，虚函数重写过程中，如果不小心打错了函数名，编译器不会自动提示错误，而是会认为这是一个新的函数，导致程序运行时无法得到预期的结果。为了防止这种疏忽，C++11 提供了override关键字，可以显式声明派生类的函数是在重写基类的虚函数。例如： #include <iostream>using namespace std;class Base {public: virtual void function() { cout << "Base function" << endl; }};class Derived : public Base {public: void function() override { // 使用 override 明确表示重写基类的虚函数 cout << "Derived function" << endl; }};final关键字 C++11 还提供了final关键字，用于防止进一步的继承或重写。类后加final：表示该类不允许被继承。例如： class FinalClass final :final：表示该虚函数不允许被派生类进一步重写。例如： class Base {public: virtual void anotherFunction() final { cout << "Base anotherFunction" << endl; }};重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比：
（五）纯虚函数与抽象类
1. 纯虚函数：
纯虚函数是没有函数体的虚函数，在声明时使用 = 0 来标识。纯虚函数使得类成为抽象类，派生类必须实现这些函数，除非派生类也是抽象类。
2. 抽象类的特性：
不能实例化抽象类（即不能直接创建抽象类的对象）。
可以包含已实现的函数（普通函数）。
可以包含成员变量。
派生类必须实现所有纯虚函数，或者派生类也可以是抽象类。
示例代码：
#include <iostream>using namespace std;// 定义抽象类class Shape {public: // 纯虚函数 virtual void draw() = 0; // 纯虚函数，必须在派生类中实现 virtual double area() = 0; // 另一个纯虚函数 virtual ~Shape() {} // 虚析构函数，确保派生类的析构函数被调用};// 派生类class Circle : public Shape {private: double radius;public: Circle(double r) : radius(r) {} void draw() override { cout << "Drawing a circle" << endl; } double area() override { return 3.14 * radius * radius; }};class Square : public Shape {private: double side;public: Square(double s) : side(s) {} void draw() override { cout << "Drawing a square" << endl; } double area() override { return side * side; }};int main() { // Shape shape; // 错误，不能实例化抽象类 Shape* shape1 = new Circle(5.0); // 创建Circle对象 shape1->draw(); cout << "Area: " << shape1->area() << endl; Shape* shape2 = new Square(4.0); // 创建Square对象 shape2->draw(); cout << "Area: " << shape2->area() << endl; delete shape1; // 释放内存 delete shape2; return 0;}Shape 类是一个抽象类，它有两个纯虚函数：draw() 和 area()，这要求所有派生类必须实现这两个函数。
Circle 和 Square 是 Shape 的派生类，提供了 draw() 和 area() 的具体实现。
在 main() 函数中，我们通过基类指针 (Shape*) 来指向派生类对象，并调用它们的成员函数。
3. 纯虚函数的作用：
纯虚函数强制派生类实现特定的行为，从而为派生类提供统一的接口。
纯虚函数可以用于定义接口（类似于其他语言中的接口或抽象类）。
（六）多态实现原理
虚函数表：
通过观察测试我们发现b对象是8bytes，除了_b成员，还多一个__vfptr放在对象的前面(注意有些平台可能会放到对象的最后面，这个跟平台有关)，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual，f代表function)。一个含有虚函数的类中都至少都有一个虚函数表指针，因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表，。那么派生类中这个表放了些什么呢？我们接着往下分析：
// 针对上面的代码我们做出以下改造// 1.我们增加一个派生类Derive去继承Base // 2.Derive中重写Func1 // 3.Base再增加一个虚函数Func2和一个普通函数Func3class Base{ public:virtual void Func1(){cout << "Base::Func1()" << endl;}virtual void Func2(){cout << "Base::Func2()" << endl;}void Func3(){cout << "Base::Func3()" << endl;}private: int _b = 1;};class Derive : public Base{ public:virtual void Func1(){cout << "Derive::Func1()" << endl;}private:int _d = 2;};int main(){Base b;Derive d;return 0;}通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：
1. 派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员，虚
表指针也就是存在部分的另一部分是自己的成员。
2. 基类b对象和派生类d对象虚表是不一样的，这里我们发现Func1完成了重写，所以d的虚表
中存的是重写的Derive::Func1，所以虚函数的重写也叫作覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数
的覆盖。重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。
3. 另外Func2继承下来后是虚函数，所以放进了虚表，Func3也继承下来了，但是不是虚函
数，所以不会放进虚表。
4. 虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况这个数组最后面放了一个nullptr。
5. 总结一下派生类的虚表生成：a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中 b.如果派生
类重写了基类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数 c.派生类自己
新增加的虚函数按其在派生类中的声明次序增加到派生类虚表的最后。
6. 这里还有一个童鞋们很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？ 答：虚函数存在
虚表，虚表存在对象中。注意上面的回答的错的。但是很多童鞋都是这样深以为然的。注意
虚表存的是虚函数指针，不是虚函数，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是
他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。那么虚表存在哪的
呢？实际我们去验证一下会发现vs下是存在代码段的，Linux g++下大家自己去验证？
多态的原理
上面分析了这个半天了那么多态的原理到底是什么？还记得这里Func函数传Person调用的Person::BuyTicket，传Student调用的是Student::BuyTicket
class Person {public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-全价" << endl; }};class Student : public Person {public:virtual void BuyTicket() { cout << "买票-半价" << endl; }};void Func(Person& p){p.BuyTicket();}int main(){Person Mike;Func(Mike);Student Johnson;Func(Johnson);return 0;}1. 观察下图的红色箭头我们看到，p是指向mike对象时，p->BuyTicket在mike的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket。
2. 观察下图的蓝色箭头我们看到，p是指向johnson对象时，p->BuyTicket在johson的虚表中
找到虚函数是Student::BuyTicket。
3. 这样就实现出了不同对象去完成同一行为时，展现出不同的形态。
4. 反过来思考我们要达到多态，有两个条件，一个是虚函数覆盖，一个是对象的指针或引用调
用虚函数。反思一下为什么？
5. 再通过下面的汇编代码分析，看出满足多态以后的函数调用，不是在编译时确定的，是运行
起来以后到对象的中取找的。不满足多态的函数调用时编译时确认好的。
void Func(Person* p) {p->BuyTicket(); }int main(){Person mike; Func(&mike); mike.BuyTicket();return 0;}// 以下汇编代码中跟你这个问题不相关的都被去掉了void Func(Person* p){ ...p->BuyTicket();// p中存的是mike对象的指针，将p移动到eax中001940DEmoveax,dword ptr [p]// [eax]就是取eax值指向的内容，这里相当于把mike对象头4个字节(虚表指针)移动到了edx001940E1movedx,dword ptr [eax]// [edx]就是取edx值指向的内容，这里相当于把虚表中的头4字节存的虚函数指针移动到了eax00B823EEmoveax,dword ptr [edx]// call eax中存虚函数的指针。这里可以看出满足多态的调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象的中取找的。001940EA 00头1940EC }call cmpeaxesi,espint main(){ ...// 首先BuyTicket虽然是虚函数，但是mike是对象，不满足多态的条件，所以这里是普通函数的调用转换成地址时，是在编译时已经从符号表确认了函数的地址，直接call 地址mike.BuyTicket();00195182 lea ecx,[mike]00195185 call Person::BuyTicket (01914F6h)...}单继承中的虚函数表
class Base {public :virtual void func1() { cout<<"Base::func1" <<endl;}virtual void func2() {cout<<"Base::func2" <<endl;}private :int a;};class Derive :public Base {public :virtual void func1() {cout<<"Derive::func1" <<endl;}virtual void func3() {cout<<"Derive::func3" <<endl;}virtual void func4() {cout<<"Derive::func4" <<endl;}private :int b;}; 观察下图中的监视窗口中我们发现看不见func3和func4。这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数，也可以认为是他的一个小bug。那么我们如何查看d的虚表呢？下面我们使用代码打印出虚表中的函数.
typedef void(*VFPTR) ();void PrintVTable(VFPTR vTable[]) {// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数cout << " 虚表地址>" << vTable << endl; for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i) {printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);VFPTR f = vTable[i];f();}cout << endl;}int main(){Base b;Derive d;// 思路：取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，前面我们说了虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，这个数组最后面放了一个nullptr// 1.先取b的地址，强转成一个int*的指针// 2.再解引用取值，就取到了b对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针// 3.再强转成VFPTR*，因为虚表就是一个存VFPTR类型(虚函数指针类型)的数组。// 4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表// 5.需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最后面没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的-生成-清理解决方案，再编译就好了。VFPTR* vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);PrintVTable(vTableb);VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);PrintVTable(vTabled);return 0;}
多态的应用场景与实践
（一）多态在设计模式中的应用
策略模式（Strategy Pattern） 通过定义一组算法，并将它们封装起来，可以通过多态机制在运行时选择不同的算法。例如：class SortingStrategy {public: virtual void sort(int* array, int size) = 0;};class BubbleSort : public SortingStrategy {public: void sort(int* array, int size) override { // 冒泡排序实现 cout << "Sorting using Bubble Sort" << endl; }};class QuickSort : public SortingStrategy {public: void sort(int* array, int size) override { // 快速排序实现 cout << "Sorting using Quick Sort" << endl; }};class Sorter {private: SortingStrategy* sortingMethod;public: Sorter(SortingStrategy* method) : sortingMethod(method) {} void sortArray(int* array, int size) { sortingMethod->sort(array, size); }};int main() { int array[5] = {5, 4, 3, 2, 1}; Sorter sorter1(new BubbleSort()); sorter1.sortArray(array, 5); // 输出 "Sorting using Bubble Sort" Sorter sorter2(new QuickSort()); sor2.sortArray(array, 5); // 输出 "Sorting using Quick Sort" return 0;}Sorter可以选择不同的排序算法来对数组进行排序。 工厂模式（Factory Pattern） 通过基类指针返回具体派生类的实例，从而实现对象的灵活创建。例如： class ShapeFactory {public: virtual Shape* createShape() = 0;};class CircleFactory : public ShapeFactory {public: Shape* createShape() override { return new Circle(); }};class SquareFactory : public ShapeFactory {public:·From a technical point of view, these are the main aspects of polymorphism in C++. It not only enriches the programming experience but also provides a powerful tool for creating more flexible and maintainable code.