C++八股 | Day5 | 一篇文章讲清：面向对象—封装、继承、多态 / 多重继承—菱形继承、虚继承 / 重载vs重写 / 虚函数表 / 多态的实现_含具体代码
C++面向对象编程
文章目录
- C++面向对象编程
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- 一、面向对象编程的三大特性是：封装、继承、多态
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- 1. 封装（Encapsulation）
-
- (1) 定义
- (2) 功能
- (3) 举例
- 2. 继承（Inheritance）
-
- (1) 定义
- (2) 功能
- (3) 三种继承方式
- (4) 三种继承方式的权限
- 3. 多态（Polymorphism）
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- (1) 定义
- (2) 功能
- (3) 分类
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- a. 编译时多态（静态多态）
- b. 运行时多态（动态多态）
- (4) 举例
- 4. 总结
- 二、多重继承
-
- 1. 组合（有壳）
- 2. 继承（拆壳）
- 3. 普通多重继承（拆多个壳，各塞一份）
- 3. 菱形继承（Diamond Inheritance）（拆同一个壳两次 ➜ 内容重复）
- 5. 虚继承（两条路都只拿引用，让 Bat 来提供壳子）
- 三、重载 vs 重写
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- 1. 函数重载（Overload）
- 2. 函数重写（Override）
-
- (1). 函数重写特征
- (2). 函数重写注意事项
- 3. 对比
- 四、虚函数表简介
-
- 1. 虚函数表
- 2. 区分两种调用方式
- 五、多态的实现
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- 1. 定义
- 2. 实现
-
- 1. 在基类中声明虚函数（virtual）
- 2. 在子类中重写虚函数（override）
- 3. 使用基类类型的指针或引用，指向子类对象
- 4. 调用虚函数 → 会根据实际对象类型调用
- 5. 虚函数表（vtable）的作用
一、面向对象编程的三大特性是：封装、继承、多态
访问权限：
C++ 通过关键字 public、protected 和 private 来控制类成员（属性和方法）的访问权限：
| 访问权限 | 同类内部访问 | 子类访问 | 外部访问 |
|---|---|---|---|
public |
✅ | ✅ | ✅ |
protected |
✅ | ✅ | ❌ |
private |
✅ | ❌ | ❌ |
1. 封装（Encapsulation）
(1) 定义
将对象的状态（数据）和行为（方法）打包封装在一起，并控制对外暴露的接口，保护内部数据。
(2) 功能
- 限制访问：防止外部直接修改内部状态，增加安全性。
- 提高代码可维护性：如果内部结构变化，外部代码不受影响。
- 隐藏实现细节：只暴露接口，内部如何实现对用户来说是透明的。
(3) 举例
你定义一个银行账户类，把账户余额 balance 设置为 private，提供 deposit() 和 withdraw() 方法供外部使用，不能直接改余额，避免非法操作。
2. 继承（Inheritance）
(1) 定义
子类可以“继承”父类的属性和方法，使得子类具有父类的功能，同时还能进行功能扩展或重写。
(2) 功能
- 代码重用：不用重复写一样的代码。
- 扩展功能：可以对父类功能进行扩展或定制。
- 分类清晰：方便建立一套更有层次的类结构。
(3) 三种继承方式
- 公有继承（public）：父类的
public和protected成员保持权限不变继承到子类。 - 保护继承（protected）：父类的
public 和protected成员都变成protected。 - 私有继承（private）：父类所有成员在子类中都变成
private，只供内部使用。
(4) 三种继承方式的权限
| 父类成员权限 | 公有继承 class A : public B |
保护继承 class A : protected B |
私有继承 class A : private B |
|---|---|---|---|
public |
保持 public |
变成 protected |
变成 private |
protected |
保持 protected |
保持 protected |
变成 private |
private |
存在，但不可访问 | 存在，但不可访问 | 存在，但不可访问 |
private成员永远不会被子类访问到，但它仍存在于对象中（可以通过父类方法间接使用）
Base 的 private 成员会被继承，但子类看不见，也不能访问！
不过它确实存在，比如构造函数可以初始化它，Base 的成员函数也可以操作它。
举例：
基类定义：
class Base {
public:
int pub = 1;
protected:
int prot = 2;
private:
int priv = 3;
};
公有继承：
class PublicDerived : public Base {
public:
void test() {
pub = 10; // ✅ 可以访问（是 public）
prot = 20; // ✅ 可以访问（是 protected）
// priv = 30; // ❌ 错误，private 不能访问
}
};
void testPublic() {
PublicDerived d;
d.pub = 100; // ✅ 外部也能访问
// d.prot = 200; // ❌ 外部不能访问
}
保护继承：
class ProtectedDerived : protected Base {
public:
void test() {
pub = 10; // ✅ 可以访问（继承后变 protected）
prot = 20; // ✅ 可以访问
// priv = 30; // ❌ 不可以访问
}
};
void testProtected() {
ProtectedDerived d;
// d.pub = 100; // ❌ 外部无法访问（现在是 protected）
}
私有继承：
class PrivateDerived : private Base {
public:
void test() {
pub = 10; // ✅ 可以访问（继承后变 private）
prot = 20; // ✅ 可以访问
// priv = 30; // ❌ 不可以访问
}
};
void testPrivate() {
PrivateDerived d;
// d.pub = 100; // ❌ 外部访问失败（现在是 private）
}
| 继承方式 | 父类 public 成员变成 | 父类 protected 成员变成 | 外部能否访问 pub 成员 |
|---|---|---|---|
| 公有继承 | public | protected | ✅ 可以 |
| 保护继承 | protected | protected | ❌ 不可以 |
| 私有继承 | private | private | ❌ 不可以 |
3. 多态（Polymorphism）
(1) 定义
相同接口（方法名）可以表现出多种行为（即：多种“形态”）。
- 重载实现编译时多态
- 虚函数实现运行时多态
(2) 功能
- 在 C++ 中，多态允许你使用一个“父类类型的指针或引用”来指向“子类对象”；
- 当你通过这个父类指针调用方法时，运行时会根据指向的实际子类对象来决定调用哪个版本的方法；
- 换句话说，即使你写的是
父类，运行的是子类的实现。 - 这是“运行时多态”的核心（基于虚函数
virtual）。
(3) 分类
多态是一种允许相同的接口在不同对象上表现出不同行为的机制。根据实现时机的不同，多态分为两种：
a. 编译时多态（静态多态）
编译阶段就决定了调用哪个函数，实现方式：
函数重载（Overload）：不是核心多态，不依赖继承
- 定义：在同一个类种，存在多个同名的函数，但这些函数的参数类型或数量不同。
- 属于编译期决策，不是“继承”导致的多态，更多是一种语法特性。
举例：
class Printer {
public:
void print(int i) { std::cout << "int" << std::endl; }
void print(double d) { std::cout << "double" << std::endl; }
void print(std::string s) { std::cout << "string" << std::endl; }
};
b. 运行时多态（动态多态）
程序运行时根据对象的实际类型决定调用哪个函数，实现方式：
函数覆盖（Override）：是核心多态，虚函数+继承
- 定义：子类重新定义父类中的虚函数（
virtual）； - 通过父类指针或引用调用时，实际执行的是子类版本；
- 必须使用
virtual声明父类函数，建议子类使用override明确声明； - 属于继承体系下的“真正的多态”。
允许将子类类型的指针赋值给父类类型的指针，并在调用函数时表现出子类的行为。
举例：
class Base {
public:
virtual void print() {
std::cout << "Base" << std::endl;
}
};
class Derived : public Base {
public:
void print() override {
std::cout << "Derived" << std::endl;
}
};
Base* b = new Derived();
b->print(); // 输出: Derived（即使 b 是 Base 类型）
(4) 举例
定义一个基类 Animal 有一个 speak() 方法，猫类 Cat 和狗类 Dog 继承后各自实现不同的 speak()，当我们用 Animal* 调用时，会根据实际对象类型执行正确的方法。
4. 总结
| 特性 | 目的 | 关键词/机制 |
|---|---|---|
| 封装 | 数据保护，隐藏细节 | private, public, 类 |
| 继承 | 复用代码，扩展功能 | class 派生 |
| 多态 | 接口统一，行为多样 | virtual, 重载等 |
二、多重继承
一个类可以同时继承多个父类（基类），从而获得多个父类的成员变量和成员函数。
下面，为了便于理解，这里我将类定义为壳子+内容 ：
- 壳子：类的名字、类型身份，如
Animal animal; → 这里的animal是“壳子”，你必须通过它访问内容。 - 内容：类里的成员变量、函数（如
eat()、x等），这是我们真正要用的功能。
1. 组合（有壳）
class Animal {
public:
void eat() {}
};
class Mammal {
public:
Animal a; // 这是组合
};
这里创建了一个叫 a 的“壳子”，内部装着 Animal 的功能：
Mammal m;
m.a.eat(); // ✅ 必须通过壳子访问
Animal是一个 成员变量- 你不能直接调用
eat()，必须m.a.eat() - 就像一个盒子，你得先打开盒子（壳子）才能用里面的功能
2. 继承（拆壳）
class Mammal : public Animal {};
这里不需要壳子了，直接把 Animal 的功能全塞到 Mammal 里。
所以：
Mammal m;
m.eat(); // ✅ 直接用，不需要 m.animal.eat()
- 编译器把
Animal的成员全部复制粘贴到Mammal的类里 - 不再需要
animal这个名字（壳子） Mammal看起来就像自己定义了eat()一样
3. 普通多重继承（拆多个壳，各塞一份）
class Printer {
public:
void print() {}
};
class Scanner {
public:
void scan() {}
};
class Copier : public Printer, public Scanner {};
把 Printer 的内容和 Scanner 的内容都剥掉壳子，统统塞到 Copier 里面。
所以：
Copier c;
c.print(); // ✅ 来自 Printer
c.scan(); // ✅ 来自 Scanner
结构上就像：
Copier:
- void print(); // 来自 Printer
- void scan(); // 来自 Scanner
各功能独立、不冲突，Copier 获得 Printer 和 Scanner 两个功能模块的内容，不带壳，直接用。
3. 菱形继承（Diamond Inheritance）（拆同一个壳两次 ➜ 内容重复）
子类通过多条路径继承了同一个祖先类。
class Animal {
public:
void eat() {}
};
class Mammal : public Animal {};
class Bird : public Animal {};
class Bat : public Mammal, public Bird {};
这里相当于从 Mammal 拆一次壳子嵌进来（内容还是之前 Animal 的内容），从 Bird 又拆一次壳子嵌进来（内容还是之前 Animal 的内容）。两段内容重复了！！！
结果：Bat 里有两个 eat() 函数！来自两个 Animal 内容副本
错误原因：
Bat b;
b.eat(); // ❌ 编译器懵了，不知道你是想用 Mammal::Animal::eat 还是 Bird::Animal::eat
5. 虚继承（两条路都只拿引用，让 Bat 来提供壳子）
class Mammal : virtual public Animal {};
class Bird : virtual public Animal {};
class Bat : public Mammal, public Bird {};
这里不拆壳子，只要个引用！让 Bat 拆壳子，塞一份就够了，大家共享用它。
在**所有使用 virtual 继承的结构中，只有“最底层的最终派生类”负责真正拆壳子、提供内容。所以，是 Bat 负责真正创建那一份 Animal 内容！
机制解释：
Mammal和Bird都声明了 “我需要一个Animal，但我不拆壳，我只是声明我虚继承了它”- 到了
Bat，它看到两个路径都需要一个虚基类Animal，就必须自己提供一份唯一的实例 - 编译器会在
Bat的对象内存中只构造一次Animal，而且所有路径都引用这个共享版本 - 虚继承时，最底层的最终类（Bat）负责实际“拆壳子、粘内容”，其他类只是声明“我会用”
结果：
Bat:
├── Mammal（只有自己的成员，没有 Animal 内容）
├── Bird（同样没有 Animal 内容）
└── Animal（由 Bat 拆+粘 的，唯一一份内容）
也就是说：
Mammal和Bird的结构中原本该嵌入的Animal内容，被抽离了出来- 它们保留的是一个"指向虚基类的偏移指针（vbase pointer）"，指向
Bat里的那一份Animal
所以，编译器在它们访问 eat() 的时候，底层操作是：
通过 vbase pointer → 找到 Bat 里的那份 Animal → 调用 eat()
| 区域 | 含义 |
|---|---|
| Mammal 区块 | 自己的成员 + 虚基指针 |
| Bird 区块 | 自己的成员 + 虚基指针 |
| Animal 区块 | 真正构造出来的唯一一份内容 |
Bat b;
b.eat(); // ✅ 只存在一个 eat，没有冲突
三、重载 vs 重写
1. 函数重载（Overload）
重载是指同一个作用域中，多个函数名称相同，但参数个数不同或参数类型不同。(参数类型必须不一样)
特征：
- 返回值可以相同或不同（但不能仅靠返回值来区分重载函数）；
- 编译器根据调用时传入的参数类型和个数来判断调用哪个函数；
- 重载是编译时多态（静态多态）。
int add(int a, int b) {
return a + b;
}
double add(double a, double b) {
return a + b;
}
这是典型的重载：函数名都是 add，但参数类型和返回值类型不同（一个是 int，一个是 double）。
2. 函数重写（Override）
重写是指在子类中重新定义一个和父类中同名、同参数的函数，以实现不同的功能。是运行时多态（动态多态）
(1). 函数重写特征
- 用于继承关系中；
- 父类的方法必须被声明为
virtual； - 子类方法通常会加上
override关键字（C++11 以后），用于确保是重写； - 子类方法签名必须和父类完全一致（包括参数数量、类型、顺序、返回值类型）；
还有其他可能：
| 情况 | 是否是重写？ | 说明 |
|---|---|---|
| 函数名相同，参数不同 | ❌ 不是重写，只是“隐藏” | |
| 函数名和参数都一样，但父类不是 virtual | ❌ 不是重写，只是重新定义 | |
| 函数名、参数都一样，父类是 virtual | ✅ 是重写（推荐加 override） |
- 情况一：函数名相同，参数不同
不是重写，只是 “隐藏（函数名隐藏）”
class Base {
public:
virtual void show(int x) {
cout << "Base::show(int)" << endl;
}
};
class Derived : public Base {
public:
void show() {
cout << "Derived::show()" << endl;
}
};
分析：
- 子类的
show()与父类的show(int)参数不同； - 所以这不是重写，而是函数隐藏（function hiding）；
- 即使父类是 virtual，这也不是重写；
- 此时
Derived中的show()会隐藏掉父类所有同名函数（不管参数对不对）； - 函数名一样，参数不同，会隐藏整个同名函数集。
调用效果：
Derived d;
d.show(); // ✅ 调用的是 Derived::show()
d.show(10); // ❌ 编译错误：Derived 隐藏了 Base::show(int)
d.Base::show(10); // ✅ 你可以手动指定调用 Base 的方法
- 情况二：函数名、参数都一样，但父类不是 virtual
不是重写，只是 重新定义（非虚函数覆盖）
class Base {
public:
void show() {
cout << "Base::show()" << endl;
}
};
class Derived : public Base {
public:
void show() {
cout << "Derived::show()" << endl;
}
};
分析：
Derived::show()与Base::show()签名完全一致；- 但由于
Base::show()不是virtual，这不是重写； - 是一种重新定义（redefinition）或叫静态隐藏（shadowing）；
- 函数绑定发生在编译时，不会有多态行为。
调用效果：
Base* p = new Derived();
p->show(); // 输出 Base::show()，因为没有虚函数，静态绑定
即使你用的是父类指针指向子类对象，调用的还是父类的函数，而不是子类的。
总结：
| 情况 | 名称 | 是否隐藏父类函数？ | 是否重写？ | 是否支持多态？ | 绑定类型 |
|---|---|---|---|---|---|
| 参数相同，父类是 virtual | 重写（override） | ❌ 否 | ✅ 是 | ✅ 是 | 运行时绑定（多态） |
| 参数不同 | 函数名隐藏 | ✅ 是 | ❌ 否 | ❌ 否 | 编译时绑定 |
| 参数相同，父类非 virtual | 静态覆盖 | ❌ 否（同名但没隐藏） | ❌ 否 | ❌ 否 | 编译时绑定 |
(2). 函数重写注意事项
- 被重写的方法不能为private
- （如果父类中的虚函数是 private，那么子类根本访问不到这个函数，也就无法进行“重写”）
- 即使子类定义了一个相同名字的函数，也只是重新定义了一个新函数，并不是重写。
class Base {
private:
virtual void print() {
cout << "Base class" << endl;
}
};
class Derived : public Base {
public:
void print() override { // ❌ 报错：父类的 print 是 private，看不到
cout << "Derived class" << endl;
}
};
- 重写方法的访问修饰符一定 >= 被重写方法的访问修饰符（public > protected > private）
- 重写方法的访问修饰符不能更严格
- 子类重写（override）方法的访问权限可以与父类相同，也可以更高，但不能更低。
class Base {
public:
virtual void print() {
cout << "Base class" << endl;
}
};
class Derived : public Base {
public:
void print() override {
cout << "Derived class" << endl;
}
};
调用：
Base* b = new Derived();
b->print(); // 输出: Derived class
因为使用了虚函数和 override，所以调用的是子类的方法，实现了多态。
3. 对比
| 特性 | 重载（Overload） | 重写（Override） |
|---|---|---|
| 是否需要继承关系 | 否 | 是（必须有父类和子类） |
| 函数名 | 相同 | 相同 |
| 参数列表 | 不同 | 必须相同 |
| 返回值 | 可以不同 | 一般相同（不能仅靠返回值区分） |
| 调用方式 | 编译时根据参数判断调用 | 运行时根据对象类型判断调用 |
| 多态类型 | 编译时多态（静态绑定） | 运行时多态（动态绑定） |
四、虚函数表简介
1. 虚函数表
在 C++ 中：
- 当一个类中含有
virtual函数时，编译器会为它生成一个虚函数表（vtable）； - 每个含虚函数的对象会拥有一个指向 vtable 的指针；
- 调用虚函数时，是运行时通过 vtable 查找函数地址来调用的，这就是多态的基础。
通过 vtable 模拟上述三个例子：
- 情况一：参数相同，父类是 virtual ➝ 正确重写
class Base {
public:
virtual void show() { cout << "Base::show()\n"; }
};
class Derived : public Base {
public:
void show() override { cout << "Derived::show()\n"; }
};
Base::show()是虚函数；
Derived::show()是合法的重写；
Derived 的 vtable 会替换掉原来指向 Base 的函数地址；
虚函数表模拟：
Base vtable:
[ show() → Base::show() ]
Derived vtable:
[ show() → Derived::show() ] ✅ 替换成功
调用效果：
Base* ptr = new Derived();
ptr->show(); // 输出 Derived::show()，实现多态
- 情况二：参数不同 ➝ 函数名隐藏
class Base {
public:
virtual void show(int x) { cout << "Base::show(int)\n"; }
};
class Derived : public Base {
public:
void show() { cout << "Derived::show()\n"; } // 参数不同
};
Base::show()是虚函数；
Derived::show()不是重写，因为参数不同；
所以 Derived 的 vtable 中 还是Base::show(int)，不会有 Derived 的函数；
虚函数表模拟：
Base vtable:
[ show(int) → Base::show(int) ]
Derived vtable:
[ show(int) → Base::show(int) ] // 注意！Derived::show() 不在 vtable 里
调用效果：
Base* ptr = new Derived();
ptr->show(42); // 输出 Base::show(int)
即使是 Derived 实例，调用的还是 Base 的版本，因为 Derived::show() 是新函数，不在 vtable 中。
- 情况三：参数相同但父类不是 virtual ➝ 静态覆盖
class Base {
public:
void show() { cout << "Base::show()\n"; } // 非 virtual
};
class Derived : public Base {
public:
void show() { cout << "Derived::show()\n"; } // 签名一致
};
父类
Base::show()不是虚函数；
子类也定义了一个新版本，和父类名字完全一样；
没有 vtable，编译器使用静态绑定；
编译期根据指针类型决定调用哪个版本；
没有虚函数表
无 vtable，全靠编译期决定调用哪个函数
调用效果：
Base* ptr = new Derived();
ptr->show(); // 输出 Base::show()，因为是静态绑定
2. 区分两种调用方式
- 情况一：通过子类对象或子类指针调用
这时用的是名字查找 + 编译期绑定
隐藏就真的生效了！
Derived d;
d.show(); // ✅ 调用子类的 show()
d.show(10); // ❌ 编译错误：Base::show(int) 被隐藏了
编译器看到你用的是 Derived，就只查找 Derived 的作用域，不会管父类有没有其他 show(int)，所以你只能用 Derived::show()，不能用 Base::show(int)。
- 情况二：通过父类指针调用
这时如果父类的 show(int) 是 virtual，那它会进入 vtable，即使被隐藏了，也可以调用！
Base* ptr = new Derived();
ptr->show(10); // ✅ 调用 Base::show(int)，没问题
虽然 Derived 中写了一个 show()，参数不同，但它没有重写 show(int)，所以 Derived 的 vtable 中仍然保留的是 Base::show(int)。
| 调用方式 | 是否受隐藏影响 | 会不会调用被隐藏的 Base::show(int) |
|---|---|---|
Derived d; d.show(10) |
✅ 会受影响 | ❌ 不会，编译错误（名字找不到） |
Base* p = new Derived(); p->show(10) |
❌ 不受影响 | ✅ 会，正常多态调用 Base::show(int) |
五、多态的实现
1. 定义
C++ 的多态性是通过：虚函数（virtual function）& 虚函数表（vtable）实现的。
多态的作用：允许你使用父类类型的指针或引用指向子类对象，在运行时调用真正属于子类的函数，从而实现 “调用不变，行为多变”。
2. 实现
1. 在基类中声明虚函数（virtual）
class Shape {
public:
virtual void draw() const {
// 基类的默认实现
}
};
- 关键字
virtual表明draw()是一个虚函数； - 这样派生类（如
Circle）就可以“重写 override”这个函数； - 如果后续用
Shape*指向Circle，依旧可以调用到正确的Circle::draw()；
2. 在子类中重写虚函数（override）
class Circle : public Shape {
public:
void draw() const override {
// 派生类的实现
}
};
override关键字（C++11 引入）告诉编译器：这是要重写一个父类虚函数；- 如果签名写错了（比如少了 const、参数不一致），编译器就会报错，避免逻辑错误；
- 虚函数 + override = 正确使用多态的前提。
3. 使用基类类型的指针或引用，指向子类对象
Shape* shapePtr = new Circle();
- 虽然
shapePtr是Shape*类型，但它实际指向的是Circle类型的对象； - 这是多态的基础：编译时看的是 Shape 类型，运行时调用的是 Circle 实现。
4. 调用虚函数 → 会根据实际对象类型调用
shapePtr->draw();
// 实际调用的是 Circle::draw()
- 因为
draw()是虚函数，运行时通过 vtable 查表找到正确的函数； - 所以尽管
shapePtr是Shape*，也能调用到Circle::draw()。
5. 虚函数表（vtable）的作用
编译器会为每个含有虚函数的类维护一张 虚函数表（vtable）：
- 每个对象中会隐含一个指针，指向它所属类的 vtable；
- vtable 里存着当前对象所用的虚函数的地址；
- 当你调用虚函数时，程序就通过这个表来“找”正确的函数地址 → 实现 运行时多态。