多态(Polymorphism)是面向对象编程(OOP)的核心概念之一,它允许不同的对象对同一消息作出不同的响应。在 C++ 中,多态主要通过虚函数(Virtual Function)和继承机制实现。
1. 多态的基本概念
- 定义:多态是指同一操作作用于不同的对象时,可以有不同的解释和执行结果。
- 分类:
- 编译时多态(静态多态):通过函数重载和运算符重载实现,在编译时确定调用哪个函数。
- 运行时多态(动态多态):通过虚函数和继承实现,在运行时确定调用哪个函数。
2. C++ 中的多态
(1)编译时多态
- 函数重载:在同一作用域内定义多个同名函数,但参数列表不同。
void print(int i) {
std::cout << "Integer: " << i << std::endl;
}
void print(double d) {
std::cout << "Double: " << d << std::endl;
}
- 运算符重载:通过重载运算符实现自定义类型的操作。
class Complex {
public:
Complex operator+(const Complex& other) {
return Complex(real + other.real, imag + other.imag);
}
};
(2)运行时多态
- 虚函数:在基类中声明虚函数,并在派生类中重写该函数。
- 基类指针或引用:通过基类指针或引用调用虚函数时,实际调用的是派生类的实现。
示例:
class Animal {
public:
virtual void speak() {
std::cout << "Animal speaks" << std::endl;
}
};
class Dog : public Animal {
public:
void speak() override {
std::cout << "Dog barks" << std::endl;
}
};
class Cat : public Animal {
public:
void speak() override {
std::cout << "Cat meows" << std::endl;
}
};
int main() {
Animal* animals[] = {new Dog(), new Cat()};
for (auto animal : animals) {
animal->speak(); // 动态绑定,调用派生类的实现
}
return 0;
}
输出:
Dog barks
Cat meows
3. 多态的实现原理
- 虚表(vtable):每个包含虚函数的类都有一个虚表,存储虚函数的地址。
- 虚表指针(vptr):每个对象包含一个指向虚表的指针。
- 动态绑定:通过基类指针或引用调用虚函数时,通过虚表指针查找虚表,调用正确的函数实现。
4. 多态的优点
- 代码复用:通过基类定义通用接口,派生类实现具体行为。
- 扩展性:可以轻松添加新的派生类,而无需修改现有代码。
- 灵活性:通过基类指针或引用操作派生类对象,提高代码的灵活性。
5. 总结
- 多态:允许不同的对象对同一消息作出不同的响应。
- C++ 中的多态:
- 编译时多态:通过函数重载和运算符重载实现。
- 运行时多态:通过虚函数和继承实现。
- 实现原理:依赖于虚表(vtable)和虚表指针(vptr)。
- 优点:提高代码的复用性、扩展性和灵活性。
通过合理使用多态,可以设计出更灵活、可扩展的面向对象程序。
THE END
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