【面面俱到/c++】多态的实现（重载、模板、虚函数表、虚基表）

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一分钟速面

c++的多态有静态多态（编译时多态）和动态多态（运行时多态）。静态多态主要依靠函数重载、运算符重载和函数模板实现，在编译期间生成不同的函数与类型，由编译器根据函数签名或模板实例化选择正确函数与类型。多态多态主要依靠继承、虚函数与虚函数重写实现，在运行时选择执行哪个函数。

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静态多态（编译时多态）

函数重载

函数重载是指在同一作用域内，可以有一组相同函数名，不同参数列表的函数。重载函数通常用来命名一组功能相似的函数，这样可以减少函数名的数量，避免命名空间的污染。

• 重载函数在编译时被编辑器赋予不同的名字，这个名字由函数名与参数列表决定，这样这些函数就不存在命名冲突的问题。
• 编辑器在程序调用这些函数的地方，匹配最合适的重载函数执行。

void add(int i, int i);		// 函数1
void add(float f, float f);	// 函数2

int main()
{
	add(1, 2);	// 执行函数1
    add(1.0f, 2.0f);	// 执行函数2
    return 0;
}

• 定义重载函数的参数模棱两可，导致编辑器歧义，无法找到最适合的函数，将会报错

运算符重载

运算符重载是一种特殊的函数重载。c++类中有默认的运算符函数，重载运算符就是定义一个重载函数，当遇到该运算符时就使用此运算符重载函数来处理。

模板

模板本身不是完整的代码，而是生成代码所用的蓝图。当使用具体类型实例化模板类或模板函数时，编译器会根据该类型生成特点版本的类或函数。
模板分为类模板和函数模板。依据模板生成不同的类或函数的过程，称之为模板的实例化，可化分为隐式实例化和显式实例化。 编译器为每个实例化的模板生成唯一的修饰名，避免命名冲突。

// 模板函数
template <typename T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;  // 要求类型T支持+操作
}
int result = add(3, 5);  // 隐式实例化，自动生成 add(int, int)函数

// 模板类
template <typename T>
class Box {
public:
    void set(T t) { content = t; }
    T get() { return content; }
private:
    T content;
};
Box<std::string> stringBox;  // 显式实例化，生成Box类，box.content的类型为string

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动态多态（运行时多态）

虚函数

在基类中可以使用virtual关键字声明虚函数，在子类中可以重写该虚函数。

class Base {
public:
	// 定义虚函数
	virtual int Get() {
		return 1;
	}
};

class Inherit : public Base {
public:
	// 重写父类虚函数
	virtual int Get() override {
		return 2;
	}
};

虚函数表vtable、虚函数表指针vptr

• 每个声明有虚函数的类，都隐含着一个虚函数表，表中存放着所有虚函数的地址。当这个类重写了来自父类的某个虚函数时，将会将虚函数表中对应函数的地址改为该类中重写的函数地址。
• 有虚函数的类的每个对象中有虚函数表指针，指向类的虚函数表，程序运行时，通过类的虚函数表指针查询虚函数表，在运行时确定调用哪个函数。

int main() {
	Base* base = new Base();
	Inherit inherit = new Inherit();
	base.Get();	// 返回1，调用Base类的Get()函数
	inherit.Get();	//	返回2，调用Inherit类的Get()函数
	return 0;
}

• 多重继承时，对象中存在多个虚函数表指针，方便指向每个基类对应的虚函数表

虚基表指针vbptr

• 菱形继承会导致类中出现重复的基类成员。使用虚继承解决此问题
• 如果一个类虚继承了一个基类（这个基类被成为虚基类），它的对象内就会包含一个虚基表vbptr。
• 虚基表记录的是对象起始地址到虚基类A成员对象的偏移量，用于定位虚基类对象的位置。
• 间接继承虚基类的类中也会有虚基表，用于其多个父类访问它们共享的虚基类成员对象。

class A { int a; virtual void func(); };
class B : virtual public A {};
class C : virtual public A {};
class D : public B, public C {};	// D继承B、C，存放B、C的虚基表，通过虚基表访问共享基类成员

/*
 / D对象中：
 /		B类虚函数表指针
 / 		B类虚基表指针	// 由此到A类成员
 /		[B类成员]
 /
 /		C类虚函数表指针
 / 		C类虚基表指针	// 由此到A类成员
 /		[C类成员]
 /		
 /		[D类成员]
 /
 /		[唯一共享的A类成员]
*/

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正春华枝俏，待秋实果茂，愿与君共勉