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更好的理解c++中的虚函数和静态多态以及动态多态

news 2025/6/22 19:53:47

1.虚函数（Virtual Function）

在c++ 中，虚函数是定义在基类中的函数，但是它可以在派生类中进行重写（Override) 。
通过在基类中通过virtual 关键字声明函数，你创建了一个可以在任何派生类中特别实现的接口。当你有一个指针指向基类或者引用，并通过这个指针或者引用调用虚函数时， c++ 运行时会根据指针或者引用实际指向的对象来调用适当的函数。这个过程是在运行时动态发生的，这也就是所谓的动态绑定或晚绑定。

2.多态（Polymorphism)

多态是一个通用的概念，指的是可以通过同一个接口访问不同类型对象的能力 。
在c++ 中多态通常通过虚函数来实现，当你使用基类的指针或者引用调用一个虚函数时，实际上会执行派生类版本的函数，这取决于指针或者引用实际指向的对象类型，多态允许你编写通用的代码，这些代码可以与任何从基类派生的类的对象一起工作，而无需在编译时知道确切的派生类型。

3. 例子

上面的不太好理解：举个简单的例子，有一天你到餐厅吃饭，服务员给你一张菜单（基类）进行点菜，菜单上有各种食物（派生类） ，但你只需要看菜单就可以做出选择，而不需要知道每种食物是如何准备的
在c++ 中多态就相当于这个菜单 ，它允许你使用一个**通用的接口（基类的指针或引用）**来执行可能有多种不同实现的操作，这意味着我们在写代码的时候不必对象的确切类型，只需要知道它能干什么。
其中，虚函数就相当于菜单上的各种食物，我们可以在基类中声明（virtual），并且在派生类中重新定义（override）

3.1 代码实现

#include <iostream>
class Food {
public: virtual void prepare(){std::cout << "prepare some food " << std::endl;}
};
class noodele :public Food {
public:void prepare () override {std::cout << "this is your noodel  " << std::endl;}
};
class water :public Food {
public:void prepare() override {std::cout << "this is your water  " << std::endl;}
};void eat(Food* food)
{	//接口要是 ： 基类的指针或者引用food->prepare(); //实现多态
}
int main()
{Food* myfood = new water();eat(myfood); delete myfood; 
}

4.注意

虚函数虽然非常好用，但是在使用虚函数的时候，并不是所有函数都得定义成虚函数，因为实现虚函数是有代价的，需要注意以下几方面的：

**虚析构函数：**如果你的类有虚函数，也应该提供一个虚析构函数，为了确保通过基类指针删除派生类的对象的时候，能够调用正确的析构函数
内存和性能考虑： 使用虚函数会增加每个对象的内存开销，以此每个对象需要一个额外的指针来访问虚函数表(v-table) ,此外，虚函数的调用比非虚函数慢，因为需要额外的间接寻址
虚函数的继承： 一旦在基类中定义了虚函数，它在派生类中自动成为虚函数，即便没有 virtual 关键字

5. 静态多态和动态多态

静态多态中，所有的类型检查和函数调用解析都是在编译时完成的，一次静态多态不会引入运行时的开销
动态多态：动态动态主要是运行时进行的主要通过虚函数实现的，在动态多态中，函数的调用不是在编译时解析的，而是在运行时，当你通过基类的指针或者引用在调用一个虚函数时， c++ 运行时会根据对象的实际类型来确定调用那个函数。

5.1 函数重载和模板

函数重载就是指你写了多个重名的函数，但是传入的参数类型或者个数不一样，编译器会根据你传入的参数类型或者参数个数来决定调用那个函数。
模板就是一种能够让你的函数或者类能够处理不同数据类型的方法，你写一次代码，编译器会根据你使用的具体类型来生成多个代码版本
就比如说使用模板实现不同类型的数据交换

#include <iostream>template <typename T>
void swap(T& a, T& b) {T temp = a;a = b;b = temp;
}int main() {int i = 1, j = 2;swap(i, j);  // 交换两个intstd::cout << "i: " << i << ", j: " << j << std::endl;double x = 3.14, y = 1.59;swap(x, y);  // 交换两个doublestd::cout << "x: " << x << ", y: " << y << std::endl;return 0;
}

5.2总结也就是：

静态多态的类型早已知晓 ，多态性在编译时通过函数重载和模板实现，没有运行开销
动态多态它的类型可能未知，多态性在运行时通过虚函数实现，这涉及到类型识别，有一定的性能开销

6. 什么函数不能声明为虚函数

普通函数：普通函数只能被overload，不能被override，声明为虚函数也没有意义，因此编译器会在编译时绑定函数
构造函数：构造函数是为了明确初始化对象成员才产生的，然而virtual function 主要是为了再不完全了解细节的情况下也能处理对象，另外virtual function 函数是在不同类型的对象产生不同的对象，现在对象还没产生，如何使用virtual 函数来完成你想完成的动作。
静态成员函数：静态成员函数是不依赖于类的实例，而虚函数是要通过对象的虚表（vtable)来调用
主函数：主函数是程序的入口点，以此不会被声明为虚函数。