【什么是多态】从用c语言实现多态开始，解剖多态的核心

什么是多态性？

多态性源自希腊语，意为“多种形态”。在编程领域，多态性表示同一操作或消息可以应用于不同类型的对象，而产生不同的行为。这种行为基于对象的类型和方法的实现方式而异，但对于调用方来说，它们统一表现为同一种调用方式。

在C语言中模拟多态性

当我们谈到多态时，我们通常会想到面向对象编程中的概念。然而，C语言并不是一种面向对象的编程语言，因此它并没有提供内置的多态支持。然而，我们可以利用一些技巧来模拟多态性。我们可以定义一个结构体，其中包含对应于不同类型对象的函数指针。让我们通过一个简单的示例来说明

#include <stdio.h>// 声明动物结构体
typedef struct {void (*speak)();
} Animal;// 定义猫的功能
void catSpeak() {printf("喵喵!\n");
}// 定义狗的功能
void dogSpeak() {printf("汪汪!\n");
}int main() {// 创建猫对象Animal cat;cat.speak = catSpeak;// 创建狗对象Animal dog;dog.speak = dogSpeak;// 使用多态调用函数printf("猫说：");cat.speak();printf("狗说：");dog.speak();return 0;
}

在这个示例中，我们定义了一个Animal结构体，其中包含一个指向函数的指针speak。然后，我们定义了两个不同的函数catSpeak和dogSpeak，分别对应猫和狗的行为。在main函数中，我们创建了一个猫对象和一个狗对象，并将相应的函数指针赋值给它们的speak成员。最后，通过多态性，我们调用了不同对象的speak函数，分别产生了不同的输出。

多态的核心原理

多态的实现基于两个重要概念：继承和动态绑定。

继承（Inheritance）：继承是OOP中的基本机制，它允许新的类（子类）从现有类（父类）派生而来，并继承父类的属性和方法。子类可以重写（覆盖）父类的方法，以实现自己特定的行为。
动态绑定（Dynamic Binding）：动态绑定是多态性的关键。它指的是在程序运行时（而不是编译时）确定要调用的方法。通过使用基类的指针或引用来调用派生类的方法，编译器能够根据实际对象的类型来动态地选择正确的方法。

多态的实现

动态绑定是多态性的关键，那么编译器是如何做到动态绑定的呢。

在C++中，多态性主要通过虚函数来实现。

什么是虚函数表？

虚函数表是一种数据结构，它存储了对象的虚函数的地址。每个包含虚函数的类都有一个对应的虚函数表。当创建一个对象时，编译器会在对象的内存布局中添加一个指向虚函数表的指针（通常称为虚函数指针或 vptr）。这个指针指向类的虚函数表。

虚函数表的工作原理

虚函数表的工作原理如下：

编译阶段：在编译阶段，对于定义了虚函数的类，编译器会在该类的类型信息中生成一个虚函数表。这个虚函数表是一个数组，其中包含了该类所有虚函数的地址。同时，编译器会在对象的内存布局中添加一个指向虚函数表的指针。
运行阶段：当调用一个虚函数时，实际上是通过对象的虚函数指针找到了对应的虚函数表，并在表中查找相应函数的地址，然后调用该函数。由于虚函数表是按照类层次结构组织的，因此在派生类的虚函数表中，会包含基类的虚函数表中的所有虚函数，并在需要时进行覆盖（重写）。

让我们通过一个简单的示例来说明虚函数表的概念：

#include <iostream>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;}
};int main() {Animal* animal = new Dog();animal->speak(); // 运行时多态性delete animal;return 0;
}

在这个示例中，Animal 类包含一个虚函数 speak()，Dog 类继承自 Animal 并重写了 speak() 函数。在 main() 函数中，我们创建了一个 Dog 对象的指针，并将其赋值给一个 Animal 类型的指针。当调用 animal->speak() 时，由于 speak() 是虚函数，实际上会通过对象的虚函数指针找到 Dog 类的虚函数表，并调用 Dog 类中的 speak() 函数，输出 "Dog barks"。