淺析C++多態的作用及實現原理

李明明 管志偉

摘要：簡要分析了虛函數，純虛函數，函數的重載和覆蓋，著重描述了多態的概念，綁定，使用方法以及實現原理。

關鍵詞：多態；虛函數；動態綁定；靜態綁定多態(polymorphism)一詞最初來源于希臘語polumorphos，含義是具有多種形式或形態的情形。在程序設計領域，C++是目前面向對象語言中使用最廣泛的語言之一，多態性是面向對象的核心技術，理解多態，是掌握面向對象程序設計的必經之路。

為了理解多態，我們必須清楚什么是虛函數？什么是純虛函數？為什么要引入虛函數和純虛函數？它們在多態的實現上分別有什么作用？它們之間又有什么區別？

1虛函數

定義：用virtual關鍵字申明的函數叫做虛函數，虛函數肯定是類的成員函數。

引入原因：為了方便使用多態特性，我們需要在基類中定義虛函數。

作用：虛函數的作用是實現動態聯編，也就是在程序的運行階段動態地選擇合適的成員函數，。

這里注意：抽象類即含有純虛函數的類。

2純虛函數

定義：虛函數再加上=0。

引入原因：在很多情況下，基類本身生成對象是不合情理的。例如，動物作為一個基類可以派生出熊貓、野豬等子類，但動物本身生成對象明顯不合常理。為了解決上述問題，將函數定義為純虛函數，若要使派生類為非抽象類，則編譯器要求在派生類中，必須對純虛函數予以重寫以實現多態性。

作用：通過基類的派生類以純虛函數為接口實現有意義的虛函數定義。

虛函數和純虛函數的區別

⑴虛函數的作用是這個函數在子類里面可以被重載，運行時動態綁定實現多態純虛函數是個接口，在基類中不實現，要等到子類中去實現。

⑵虛函數在子類里可以不重載，但是虛函數必須在子類里去實現。

輔助性理論分析結束，跨入正題，什么是多態？多態的作用是什么？它的實現原理具體是什么？

⑴定義：對于面向對象程序設計（OOP）的核心——“多態”，引用Charlie Calverts對多態的描述——“多態”即是允許你將父對象設置成為和一個或更多的他的子對象相等的技術，賦值之后，父對象就可以根據當前賦值給它的子對象的特性以不同的方式運作。簡單地說就是“一個接口，多種方法”。

⑵作用：把不同的子類對象都當作父類來看，可以屏蔽不同子類對象之間的差異，寫出通用的代碼，做出通用的編程，以適應需求的不斷變化。

3實現原理

因為編譯器在編譯的時候，就已經確定了對象調用的函數的地址，默認執行基類中函數方法，此時屬于靜態綁定。為了能在派生類中使用名稱相同但執行命令不同的方法，就必須要使用動態綁定（late binding）技術，即函數調用的地址在運行時才確定。要讓編譯器采用動態綁定，就要在基類中聲明函數時使用virtual關鍵字。

編譯器在編譯的時候，會為每個包含虛函數的類創建一個虛表（即vtable），前面已經提到，該表是一個一維數組，在這個數組中存放每個虛函數的地址。

那么如何定位虛表呢？

編譯器另外還為每個類的對象提供了一個虛表指針（即vptr），這個指針指向了對象所屬類的虛表。在程序運行時，根據對象的類型去初始化vptr，從而讓vptr正確的指向所屬類的虛表，從而在調用虛函數時，就能夠找到正確的函數。

在虛表指針沒有正確初始化之前，我們不能夠去調用虛函數。那么虛表指針在什么時候，或者說在什么地方初始化呢？

在構造函數中進行虛表的創建和虛表指針的初始化。對于虛函數調用來說，每一個對象內部都有一個虛表指針，該虛表指針被初始化為本類的虛表。所以在程序中，不管你的對象類型如何轉換，但該對象內部的虛表指針是固定的，因此，動態的對象函數調用得以實現，這就是C++多態性實現的原理。

4結語

類的多態性，是指用虛函數和延遲綁定來實現的。函數的多態性是函數的重載。一般情況下（沒有涉及virtual函數），當我們用一個指針調用一個函數的時候，被調用的函數是取決于這個指針的類型。除此之外，當設計到多態性的時候，采用了虛函數和動態綁定，此時的調用就不會在編譯時候確定而是在運行時確定。

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