从静态多态、动态多态到虚函数表、虚函数指针

多态（Polymorphism）是面向对象编程中的一个重要概念，它允许不同类的对象对同一消息做出不同的响应。多态性使得可以使用统一的接口来操作不同类的对象，从而提高了代码的灵活性和可扩展性。

一、多态的表现形式

1. 静态多态（编译时多态）

静态多态主要通过函数重载、运算符重载以及模板来实现。通过不同的参数列表、泛型类来选择合适的函数。

重载

#include <iostream>void print(int a) {std::cout << "Integer: " << a << std::endl;
}void print(double a) {std::cout << "Double: " << a << std::endl;
}int main() {print(10);    // 调用 void print(int)print(10.5);  // 调用 void print(double)return 0;
}

模板

#include <iostream>template <typename T>
void print(T a) {std::cout << "Value: " << a << std::endl;
}int main() {print(10);    // 生成 void print<int>(int)print(10.5);  // 生成 void print<double>(double)return 0;
}

2. 动态多态（运行时多态）

动态多态主要由虚函数和继承来实现，根据对象的实际类型来调用相应的函数。

#include <iostream>class Base {
public:virtual void print() const {    // 如果这里将virtual注释掉，下面两个都会输出"Base"std::cout << "Base" << std::endl;}virtual ~Base() {} // 虚析构函数
};class Derived : public Base {
public:void print() const override {std::cout << "Derived" << std::endl;}
};int main() {Base* basePtr = new Base();Base* derivedPtr = new Derived();basePtr->print();     // 输出 "Base"derivedPtr->print();  // 输出 "Derived"delete basePtr;delete derivedPtr;return 0;
}

上面的代码中又提到了把virtual注释掉的情况，这涉及到了 “静态类型” 和 “动态类型” 。在这一部分结束之后会讲到。

二、虚函数表、虚函数指针

虚函数通过运行时的动态绑定，来实现在子类中重写基类的函数。虚函数的原理可以通过虚函数表、虚函数指针来解释。

1. VTable和vptr

·每个包含虚函数的类，都有一个虚函数表VTable，是一个指向函数指针的数组。

·每个对象创建之后，会有一个虚函数指针vptr，指向类的虚函数表VTable。

·当调用虚函数时，会通过vptr查找VTable，然后调用对应的函数。

2. 构造函数不能是虚函数

在对象创建时，编译器会给对象的vptr赋值，然后再调用构造函数，如果构造函数是虚函数，此时就陷入了死循环。

3. 析构函数可以是虚函数

通过将基类的析构函数声明为虚函数，可以确保在通过基类指针删除子类对象时，调用到子类的析构函数，合适地释放资源。

#include <iostream>class Base {
public:virtual ~Base() {std::cout << "Base destructor" << std::endl;}
};class Derived : public Base {
public:~Derived() {std::cout << "Derived destructor" << std::endl;}
};int main() {Base* ptr = new Derived();delete ptr; // 先调用 Derived 的析构函数，然后再调用 Base 的析构函数return 0;
}

三、静态类型、动态类型

静态类型：是指对象在声明时的类型，在编译期已既定。

动态类型：一个指针、引用目前指向的对象的类型，在运行时确定的。

再来看我们刚才的代码。

在函数调用时，虚函数会根据动态类型来调用，而普通函数就通过静态类型。

#include <iostream>class Base {
public:/*virtual*/ void print() const {    // 将virtual注释掉，下面两个都会输出"Base"std::cout << "Base" << std::endl;}
};class Derived : public Base {
public:    void print() const /*override*/ {    // override和上面的virtual对应std::cout << "Derived" << std::endl;}
};int main() {Base* basePtr = new Base();        // 静态类型Base，动态类型BaseBase* derivedPtr = new Derived();  // 静态类型Base，动态类型DerivedDerived* thirdPtr = new Derived(); // 静态类型Derived，动态类型DerivedbasePtr->print();     // 输出 "Base"derivedPtr->print();  // 输出 "Base"thirdPtr->print();    // 输出 "Derived"delete basePtr;delete derivedPtr;delete thirdPtr;return 0;
}

四、static_cast和dynamic_cast的安全与否

1. static_cast

static_cast是一种显式类型转换，主要用于已知的类型转换。

向上转型（从派生类指针或引用转换为基类指针或引用）是安全的，因为派生类对象可以被视为基类对象的一个特例。
基本类型转换（如 int 到 double）也是安全的。
不进行运行时检查，因此在某些情况下可能会导致未定义行为，特别是当进行向下转型时。

2. dynamic_cast

dynamic_cast是一种运行时类型检查的类型转换，主要用于多态类型之间的转换。

向上转型（从派生类指针或引用转换为基类指针或引用）是安全的。
向下转型（从基类指针或引用转换为派生类指针或引用）是安全的，因为它会在运行时检查类型的有效性。
运行时检查类型安全，如果转换不成功，会返回 nullptr（对于指针）或抛出 std::bad_cast 异常（对于引用）。