C/C++ 多态深入探究原理

多态（Polymorphism）是面向对象编程的重要特性之一，C++ 中多态的实现可以使用虚函数（Virtual Functions）和纯虚函数（Pure Virtual Functions）实现。

什么是多态

多态是一种面向对象编程的理念，它允许不同对象对同一个消息做出不同的响应。这意味着一个函数可以通过基类调用，却可以获得不同的结果。这种技术在面对许多继承类时，是非常有用的。

虚函数

虚函数是 C++ 实现多态的一种基础方式，C++ 使用虚表来实现。 虚函数需要使用关键字 virtual 来在类定义中声明。当派生类重载该函数时，派生类同样使用 virtual 来声明，这样可以使得在基类中定义的函数能够动态地被派生类所重载。

class Base {
public:
    virtual void function() {
        cout << "This is Base::function()" << endl;
    }
};

class Derive : public Base {
public:
    void function() override {
        cout << "This is Derive::function()" << endl;
    }
};

int main() {
    Base* bPtr = new Base();
    bPtr->function();

    Derive* dPtr = new Derive();
    dPtr->function();

    Base* bd = new Derive();
    bd->function();
}

上述示例中，我们定义了一个 Base 类和一个 Derive 类（它从 Base 类继承而来）。Base 类中包含一个指向虚函数的指针，该函数被称为虚函数。在 Derive 类中，重新定义了虚函数。当我们调用 Base 类的 function() 方法，并将其设置为指向 Derive 类的对象时，我们可以看到实际调用的是 Derive 类中的 function() 方法，这就是 C++ 中实现多态的一个典型的示例。

输出结果：

This is Base::function()
This is Derive::function()
This is Derive::function()

可以看到，当直接调用前两个 function() 方法时，分别得到了来自 Base 类和 Derive 类的输出。但是，当调用来自指向派生类 Derive 对象的基类指针的 function() 方法时，仍然获取到的是 Derive 类中的 function() 方法的输出。

纯虚函数

纯虚函数是一种没有实现体的虚函数。它只有声明语句，在类中不会被实现。纯虚函数可以作为 C++ 中接口的一种实现方式，并且定义了继承该类的派生类所必须实现的接口。

class Shape {
public:
    virtual float area() const = 0;
};

class Rectangle:public Shape {
public:
    Rectangle(float width, float height): _width(width), _height(height) {}
    float area() const override {
        return _width * _height;
    }
private:
    float _width;
    float _height;
};

class Circle:public Shape {
public:
    Circle(float radius): _radius(radius) {}
    float area() const override {
        return 3.14 * _radius * _radius;
    }
private:
    float _radius;
};

int main() {
    // Shape s; // compile error
    Rectangle r(10, 2);
    cout << "Rectangle has an area of " << r.area() << endl;

    Circle c(3);
    cout << "Circle has an area of " << c.area() << endl;

    return 0;
}

在上面的示例中，Shape 是一个抽象类（也就是包含纯虚函数的类），并不能创建它的对象。Rectangle 和 Circle 都继承自 Shape 类，并且重载了它的 area() 函数。实现了 area() 函数之后，我们可以创建这两种类型的对象，并计算它们的面积。

输出结果：

Rectangle has an area of 20
Circle has an area of 28.26

总结

多态是面向对象编程的一个重要特性，可以通过虚函数和纯虚函数来实现。虚函数可以被继承类所重载，这使得同样的功能可以根据具体的上下文来呈现出不同的行为。纯虚函数可以被继承类所实现（必须实现），这样就为继承树中的派生类定义了一套规则。