淺析C++多態(tài)的作用及實現(xiàn)原理

李明明 管志偉

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

關(guān)鍵詞：多態(tài)；虛函數(shù)；動態(tài)綁定；靜態(tài)綁定多態(tài)(polymorphism)一詞最初來源于希臘語polumorphos，含義是具有多種形式或形態(tài)的情形。在程序設(shè)計領(lǐng)域，C++是目前面向?qū)ο笳Z言中使用最廣泛的語言之一，多態(tài)性是面向?qū)ο蟮暮诵募夹g(shù)，理解多態(tài)，是掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的必經(jīng)之路。

為了理解多態(tài)，我們必須清楚什么是虛函數(shù)？什么是純虛函數(shù)？為什么要引入虛函數(shù)和純虛函數(shù)？它們在多態(tài)的實現(xiàn)上分別有什么作用？它們之間又有什么區(qū)別？

1虛函數(shù)

定義：用virtual關(guān)鍵字申明的函數(shù)叫做虛函數(shù)，虛函數(shù)肯定是類的成員函數(shù)。

引入原因：為了方便使用多態(tài)特性，我們需要在基類中定義虛函數(shù)。

作用：虛函數(shù)的作用是實現(xiàn)動態(tài)聯(lián)編，也就是在程序的運行階段動態(tài)地選擇合適的成員函數(shù)，。

這里注意：抽象類即含有純虛函數(shù)的類。

2純虛函數(shù)

定義：虛函數(shù)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(shù)定義為純虛函數(shù)，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(shù)予以重寫以實現(xiàn)多態(tài)性。

作用：通過基類的派生類以純虛函數(shù)為接口實現(xiàn)有意義的虛函數(shù)定義。

虛函數(shù)和純虛函數(shù)的區(qū)別

⑴虛函數(shù)的作用是這個函數(shù)在子類里面可以被重載，運行時動態(tài)綁定實現(xiàn)多態(tài)純虛函數(shù)是個接口，在基類中不實現(xiàn)，要等到子類中去實現(xiàn)。

⑵虛函數(shù)在子類里可以不重載，但是虛函數(shù)必須在子類里去實現(xiàn)。

輔助性理論分析結(jié)束，跨入正題，什么是多態(tài)？多態(tài)的作用是什么？它的實現(xiàn)原理具體是什么？

⑴定義：對于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計（OOP）的核心——“多態(tài)”，引用Charlie Calverts對多態(tài)的描述——“多態(tài)”即是允許你將父對象設(shè)置成為和一個或更多的他的子對象相等的技術(shù)，賦值之后，父對象就可以根據(jù)當(dāng)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(dāng)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(yīng)需求的不斷變化。

3實現(xiàn)原理

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

編譯器在編譯的時候，會為每個包含虛函數(shù)的類創(chuàng)建一個虛表（即vtable），前面已經(jīng)提到，該表是一個一維數(shù)組，在這個數(shù)組中存放每個虛函數(shù)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(jù)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(diào)用虛函數(shù)時，就能夠找到正確的函數(shù)。

在虛表指針沒有正確初始化之前，我們不能夠去調(diào)用虛函數(shù)。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(gòu)造函數(shù)中進行虛表的創(chuàng)建和虛表指針的初始化。對于虛函數(shù)調(diào)用來說，每一個對象內(nèi)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(zhuǎn)換，但該對象內(nèi)部的虛表指針是固定的，因此，動態(tài)的對象函數(shù)調(diào)用得以實現(xiàn)，這就是C++多態(tài)性實現(xiàn)的原理。

4結(jié)語

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

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