C++ 多态

在 C++ 中，多态（polymorphism）指同一个接口（函数、运算符、模板等）在不同上下文中表现出不同的行为。按实现机制，可分为两大类：

1. 编译时多态（静态多态）
2. 运行时多态（动态多态）

下面分别介绍它们的原理、用法与注意事项。

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1. 编译时多态（Static Polymorphism）

1.1 函数重载（Function Overloading）

同一作用域内，同名函数根据参数类型和数量不同实现不同逻辑，调用在编译期解析。

void draw(int r)         { /* 画半径为 r 的圆 */ }
void draw(int w, int h)  { /* 画宽 w 高 h 的矩形 */ }
void draw(const char* s) { /* 按文本描述画形状 */ }

draw(5);           // 调用第一个
draw(10, 20);      // 调用第二个
draw("circle");    // 调用第三个

1.2 模板（Template）与泛型编程

函数模板或类模板通过类型参数化，同一套代码能够对不同类型生效。

// 函数模板：swap 两个任意类型
template<typename T>
void swap(T& a, T& b) {
    T tmp = std::move(a);
    a = std::move(b);
    b = std::move(tmp);
}

// 类模板：简易“箱子”
template<typename T>
class Box {
    T value;
public:
    Box(const T& v): value(v) {}
    T get() const { return value; }
};

Box<int>   bi(42);
Box<string> bs("hello");

编译器在实例化模板时，根据用到的 T 生成对应代码。

1.3 CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）

“好奇递归模板模式”通过模板参数将派生类类型传入基类，实现无虚函数的静态多态。

template<typename Derived>
struct Base {
    void interface() {
        // 调用派生类实现
        static_cast<Derived*>(this)->implementation();
    }
};

struct Derived : Base<Derived> {
    void implementation() {
        std::cout << "Derived impl\n";
    }
};

Derived d;
d.interface();  // 输出 "Derived impl"

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2. 运行时多态（Dynamic Polymorphism）

2.1 虚函数与动态绑定

• 虚函数：在基类用 virtual 修饰，允许派生类覆盖（override）。
• 动态绑定：通过基类指针或引用调用虚函数时，运行期查表（vtable）选择实际对象的重写版本。

struct Shape {
    virtual double area() const = 0;  // 纯虚函数：抽象接口
    virtual ~Shape() = default;       // 虚析构保证删除安全
};

struct Circle : Shape {
    double r;
    Circle(double rr): r(rr) {}
    double area() const override {
        return 3.14159 * r * r;
    }
};

struct Rectangle : Shape {
    double w, h;
    Rectangle(double ww, double hh): w(ww), h(hh) {}
    double area() const override {
        return w * h;
    }
};

void printArea(const Shape& s) {
    // 虚函数：调用时会动态绑定到实际类型
    std::cout << "Area = " << s.area() << "\n";
}

Circle   c(2.0);
Rectangle r(3.0, 4.0);
printArea(c);  // 调用 Circle::area
printArea(r);  // 调用 Rectangle::area

注意事项

• 虚析构：基类应声明 virtual ~Base()，否则通过基类指针删除派生对象只会调用基类析构，导致资源泄漏。
• 对象切片：不要通过值（非指针/引用）传递派生对象给基类，否则切掉派生部分，多态失效。
• 性能开销：虚调用比直接调用略慢（一次 vtable 查找），且对象大小增加了 vptr（通常 8 字节）。

2.2 final 与 override

• 用 override 明确告诉编译器这是对基类虚函数的重写，可捕捉签名不一致的错误。
• 用 final 阻止进一步重写或继承，增强封闭性与安全性。

struct Base {
    virtual void f(int);
};

struct D : Base {
    void f(int) override final;  // 正确重写，且不允许再被重写
};

// struct E : D {
//     void f(int) override;     // 编译错误：D::f 已 final
// };

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3. 混合模式与最佳实践

1. 优先静态多态：如果不需要运行时决定行为，尽量用重载、模板或 CRTP，避免虚表开销。
2. 接口抽象：把公共接口放在抽象基类（含纯虚函数）中，通过指针/引用向外暴露；具体实现放在派生类。
3. 显式标注：override、final、virtual 明确意图，使代码更自解释、更易维护。
4. 资源管理：基类一定要有虚析构，保证派生对象能正确析构。
5. 避免多重继承陷阱：若非必要，不要滥用多继承；尤其菱形继承需掌握虚继承机制。

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小结

• 静态多态（函数重载、模板、CRTP）在编译期决定调用，零运行时开销，但不支持运行期扩展。
• 动态多态（虚函数）在运行期按实际对象类型绑定，实现灵活的接口扩展，但有微小性能和内存成本。
• 灵活选用、明确意图、遵循最佳实践，才能在性能与可维护性之间取得平衡。