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C++中的多态你真的了解吗？多态原理全面具体讲解

10月前 作者：一棵西兰花 分类：Toy博客 阅读(34) 违法举报

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了C++中的多态你真的了解吗？多态原理全面具体讲解。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

目录

1. 多态的概念

2. 多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

2.2 虚函数

2.3 虚函数的重写

2.4 C++11 override 和 final

2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

3. 抽象类

3.1 概念

4. 多态的原理

4.1 虚函数表

4.2多态的原理

4.3 动态绑定与静态绑定

5. 单继承和多继承关系中的虚函数表

5.1 单继承中的虚函数表

5.2 多继承中的虚函数表

5.3 菱形继承、菱形虚拟继承中的虚函数表

6. 继承和多态常见的问题

需要声明的，本节课件中的代码及解释都是在vs2022下的x86程序中，涉及的指针都是4bytes。如果要其他平台下，部分代码需要改动。比如：如果是x64程序，则需要考虑指针是8bytes问题等等

1. 多态的概念

多态的概念：通俗来说，就是多种形态，具体点就是去完成某个行为时，当不同的对象去完成时会产生出不同的状态。

2. 多态的定义及实现

2.1 多态的构成条件

多态是在不同继承关系的类对象，去调用同一函数，产生了不同的行为。比如Student继承了Person。Person对象买票全价，Student对象买票半价。

那么在继承中要构成多态还有两个条件：

  1. 必须通过基类的指针或者引用调用虚函数
  2. 被调用的函数必须是虚函数，且派生类必须对基类的虚函数进行重写

2.2 虚函数

虚函数：即被virtual修饰的类成员函数称为虚函数。

    virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "Person 买票——全价" << endl;
	}

2.3 虚函数的重写

虚函数的重写(覆盖)：派生类中有一个跟基类完全相同的虚函数(即三同：派生类虚函数与基类虚函数的返回值类型、函数名字、参数列表（指类型）完全相同)，称子类的虚函数重写了基类的虚函数。为什么也叫覆盖呢，我们后面学完多态的原理时就会理解。

代码示例：

class Person
{
public:
	//这里与虚继承中的virtual没有一点关系,虚拟继承是为了解决数据冗余和二义性
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "Person 买票——全价" << endl;
	}
};

class Student : public Person
{
public:
	//子类可以不加virtual，建议加
	virtual void BuyTicket()
	{
		cout << "Student 买票——半价" << endl;
	}
};

void test(Person& p)
{
	p.BuyTicket();
    //传递父类的指针或引用会调用父类的虚函数
    //传递子类的指针或引用会调用子类的虚函数
}

int main()
{
	Person p;
	Student s;
	test(p);
	test(s);
	return 0;
}

运行结果： 

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虚函数重写的两个例外：

1. 协变(基类与派生类虚函数返回值类型不同)

派生类重写基类虚函数时，与基类虚函数返回值类型不同。即基类虚函数返回基类对象的指针或者引用，派生类虚函数返回派生类对象的指针或者引用时，称为协变。（了解）

class A{};

class B : public A {};
//A B是继承关系

class Person {
public:
    virtual A* f() 
    {
        return new A;
    }
};
class Student : public Person
{
public:
    virtual B* f() 
    {
        return new B;
    }
};

2. 析构函数的重写(基类与派生类析构函数的名字不同)

如果基类的析构函数为虚函数，此时派生类析构函数只要定义，无论是否加virtual关键字，都与基类的析构函数构成重写，虽然基类与派生类析构函数名字不同。虽然函数名不相同，看起来违背了重写的规则，其实不然，这里可以理解为编译器对析构函数的名称做了特殊处理，编译后析构函数的名称统一处理成destructor。

class Person 
{
public:
    virtual ~Person() {cout << "~Person()" << endl;}
};

class Student : public Person 
{
public:
    virtual ~Student() { cout << "~Student()" << endl; }
};
// 只有派生类Student的析构函数重写了Person的析构函数，下面的delete对象调用析构函
// 数，才能构成多态，才能保证p1和p2指向的对象正确的调用析构函数。
int main()
{
    Person* p1 = new Person;
    Person* p2 = new Student;
    delete p1;
    delete p2;//如果析构没有构成重载，这里不能正确释放，会内存泄漏
    //如果析构不是虚函数，因为p2是父类类型，只会去调用父类的析构函数，而p2是指向子类对象的。
    //需要调用子类的析构才能讲子类空间释放干净，所以这里需要构成多态   

    return 0;
}

这里就可以大致理解，为什么子类中虚函数 virtual 为什么可以不写，可能是C++祖师爷怕我们忘记给子类析构函数写 virtual 。所以特地的规定了子类中 virtual 可以不写。

2.4 C++11 override 和 final

从上面可以看出，C++对函数重写的要求比较严格，但是有些情况下由于疏忽，可能会导致函数名字母次序写反而无法构成重载，而这种错误在编译期间是不会报出的，只有在程序运行时没有得到预期结果才来debug会得不偿失，因此：C++11提供了override和final两个关键字，可以帮助用户检测是否重写。

1. final：修饰虚函数，表示该虚函数不能再被重写

class Car
{
public:
    virtual void Drive() final {}
};
class Benz :public Car
{
public:
    virtual void Drive() //这里会报错，不能重写
    {
        cout << "Benz-舒适" << endl;
    }
};

2. override: 检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有重写编译报错。

class Car{
public:
    virtual void Drive(){}
};
class Benz :public Car {
public:
    virtual void Drive() override //如果不重写会报错
    {
        cout << "Benz-舒适" << endl;
    }
};

2.5 重载、覆盖(重写)、隐藏(重定义)的对比

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3. 抽象类

3.1 概念

在虚函数的后面写上 = 0 ，则这个函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫接口类），抽象类不能实例化出对象。派生类继承后也不能实例化出对象，只有重写纯虚函数，派生类才能实例化出对象。纯虚函数规范了派生类必须重写，另外纯虚函数更体现出了接口继承。

class Car
{
public:
	//纯虚函数
	//间接强制派生类去重写
	//抽象类 不能实例化出对象
	virtual void Drive() = 0;
};

class Benz : public Car
{
public:
	virtual void Drive()//重写
	{
		cout << "Benz-舒适" << endl;
	}
};

class BWN : public Car
{
public:
	virtual void Drive()//重写
	{
		cout << "BWN-操控" << endl;
	}
};

//指向哪个子类调用哪个子类
void func(Car* ptr)
{
	ptr->Drive();
}

int main()
{	
	//派生类重写虚函数可以实例化对象
	//Benz b;
	//b.Drive();

	func(new Benz);
	func(new BWN);

	return 0;
}

运行结果

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普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，可以使用函数，继承的是函数的实现。虚函数的继承是一种接口继承，派生类继承的是基类虚函数的接口，目的是为了重写，达成多态，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

4. 多态的原理

4.1 虚函数表

我们先看下面代码中 sizeof(Base) 大小是多少

class Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "void func1()" << endl;
	}

private:
	int _a;
};

int main()
{
	//Base还有一个隐藏成员存放虚函数表，存放虚函数地址
	cout << sizeof(Base) << endl;
	Base b;
	return 0;
}

通过观察运行测试我们发现Base对象是8bytes，除了_a成员，还多一个 _vfptr 放在对象的前面(注意有些平台可能会放到对象的最后面，这个跟平台有关)，对象中的这个指针我们叫做虚函数表指针(v代表virtual，f代表function)，x86环境下指针4个字节。一个含有虚函数的类中都至少都有一个虚函数表指针，(多继承可能会有多个，后面会讲到）因为虚函数的地址要被放到虚函数表中，虚函数表也简称虚表。那么派生类中这个表放了些什么呢？我们接着往下分析

调试查看：

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我们对代码改造一下

class Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Base:: void func1()" << endl;
	}
	
	virtual void func2()
	{
		cout << "Base:: void func2()" << endl;
	}	
	
	void func3()
	{
		cout << "Base:: void func3()" << endl;
	}

private:
	int _a = 0;
};

class Derive : public Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Drive:: void func1()" << endl;
	}

private:
	int _d;
};

int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	return 0;
}

调试结果：

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通过观察和测试，我们发现了以下几点问题：

  1. 派生类对象d中也有一个虚表指针，d对象由两部分构成，一部分是父类继承下来的成员，虚表指针也就是存在部分的另一部分是自己的成员。
  2. 基类b对象和派生类d对象虚表是不一样的，子类讲父类虚表内容拷贝一份，这里我们发现 Func1完成了重写，所以d的虚表中存的是重写的Derive::Func1，将原来的func1覆盖掉。所以虚函数的重写也叫作覆盖，覆盖就是指虚表中虚函数的覆盖。重写是语法的叫法，覆盖是原理层的叫法。
  3. 另外Func2继承下来后是虚函数，所以放进了虚表，Func3也继承下来了，但是不是虚函数，所以不会放进虚表。
  4. 虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，一般情况这个数组最后面放了一个nullptr。
  5. 总结一下派生类的虚表生成过程：a.先将基类中的虚表内容拷贝一份到派生类虚表中 b.如果派生类重写了基类中某个虚函数，用派生类自己的虚函数覆盖虚表中基类的虚函数 c.派生类自己新增加的虚函数按其在派生类中的声明次序增加到派生类虚表的最后。
  6. 这里还有一个大家很容易混淆的问题：虚函数存在哪的？虚表存在哪的？ 答：虚函数存在虚表，虚表存在对象中。注意上面的回答的错的。但是很多童鞋都是这样深以为然的。注意虚表存的是虚函数指针，不是虚函数，虚函数和普通函数一样的，都是存在代码段的，只是他的指针又存到了虚表中。另外对象中存的不是虚表，存的是虚表指针。那么虚表存在哪的呢？实际我们去验证一下会发现vs下是存在代码段的。

虚表的位置验证：

class Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Base::func1" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "Base::func2" << endl;
	}
private:
	int a;
};

void func()
{
	cout << "void func()" << endl;
}

//虚函数表存在代码段（常量区）
int main()
{
	Base b1;
	Base b2;
	static int a = 0;
	int b = 0;
	int* p1 = new int;
	const char* p2 = "hello world";
	printf("栈区:%p\n", &b);
	printf("堆区: %p\n", p1);
	printf("静态区:%p\n", &a);
	printf("字符常量区:%p\n", p2);
	//由于虚函数指针存在类的前4个字节，我们下面是取四个字节
	printf("虚函数表:%p\n", *((int*)&b1));
	printf("虚函数地址:%p\n", &Base::func1);//成员函数名取地址要加&
	printf("普通函数地址:%p\n", func);
	printf("代码区:%p\n", main);
	return 0;
}

 运行结果：

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可以发现虚函数表的位置最靠近字符常量区，而字符常量区也属于代码段，所以可以证明是存在代码段的。

4.2多态的原理

上面分析了这个半天了那么多态的原理到底是什么？还记得这里Func函数传Person调用的Person::BuyTicket，传Student调用的是Student::BuyTicket

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  1. 观察下图的红色箭头我们看到，p是指向mike对象时，p->BuyTicket在Mike的虚表中找到虚函数是Person::BuyTicket。
  2. 观察下图的蓝色箭头我们看到，p是指向johnson对象时，p->BuyTicket在Johson的虚表中找到虚函数是Student::BuyTicket。
  3. 这样就实现出了不同对象去完成同一行为时，展现出不同的形态。
  4. 反过来思考我们要达到多态，有两个条件，一个是虚函数覆盖，一个是对象的指针或引用调用虚函数。
  5. 再通过汇编代码分析，可以得出满足多态以后的函数调用，不是在编译时确定的，是运行起来以后到对象的虚表中去找的。不满足多态的函数调用是在编译时确认好的。

反思一下为什么是父类对象的指针或引用？因为如果是对象的话，子类对象切片赋值给父类对象，虚函数表是不能拷贝的，为什么呢？因为如果虚函数表可以拷贝的话，我们不能保证父类对象调用的一定是父类的虚函数。我们看下面代码场景，Person是Student的父类

Person* p;

Student s;
*p = s;

delete p;

上面代码多态调用时，指针指向父类，如果拷贝的子类虚表，调用的就不是父类的虚函数了。

4.3 动态绑定与静态绑定

  1. 静态绑定又称为前期绑定(早绑定)，在程序编译期间确定了程序的行为，也称为静态多态，比如：函数重载
  2. 动态绑定又称后期绑定(晚绑定)，是在程序运行期间，根据具体拿到的类型确定程序的具体行为，调用具体的函数，也称为动态多态。

5. 单继承和多继承关系中的虚函数表

需要注意的是在单继承和多继承关系中，我们这里去关注的是派生类对象的虚表模型，因为基类的虚表模型前面我们已经看过了，没什么需要特别研究的

5.1 单继承中的虚函数表

 虚函数的地址一定会放进类的虚函数表吗？ 

class Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Base::func1" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "Base::func2" << endl;
	}
private:
	int a;
};

class Derive : public Base
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Derive::func1" << endl;
	}
	virtual void func3()
	{
		cout << "Derive::func3" << endl;
	}	
	virtual void func4()
	{
		cout << "Derive::func4" << endl;
	}
private:
	int b;
};
 
class X :public Derive
{
public:
	virtual void func3()
	{
		cout << "X::func3" << endl;
	}
};

int main()
{
	Derive d;
	X x;

	//监视窗口虚表中没有，还是可以实现多态
	Derive* p = &d;
	p->func3();
	p = &x;
	p->func3();

	return 0;
}

监视窗口：

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观察上面的监视窗口中我们发现看不见func3和func4。这里是编译器的监视窗口故意隐藏了这两个函数，也可以认为是他的一个小bug。那么我们如何查看d的虚表呢？我们通过监视窗口进一步查看。

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通过上面的内存窗口，我们这里猜想虚函数表中存有所以的虚函数。如何进一步证明它是函数呢？那就是调用这个位置的指针，看他是不是我们要的虚函数指针。

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下面是x86下指针4个字节的代码：

//打印虚表   函数指针数组

//void (*)() f;//这种方式定义函数指针变量不行，需要 void (*f)()
typedef void (*VFUNC)();

//void PrintVFT(VFUNC a[])//函数指针数组
void PrintVFT(VFUNC* a)
{
	//函数指针数组最后是一个0
	for (int i = 0; a[i] != 0; i++)
	{
		printf("[%d]:%p->", i, a[i]);
		//a[i]();
		VFUNC f = a[i];
		f();//调用函数两种方式
		//(*f)();
	}
	printf("\n");
}

int main()
{
	void (*f1)();//直接定义函数指针
	VFUNC f2;//typedef后定义

	Base b;
	//取对象的前四个字节，是虚函数表的指针
	PrintVFT((VFUNC*)(*((int*)&b)));//使实参与形参类型匹配，强转   指针之间可以互相强转  ，数据类型有关联可以强转

	Derive d;
	PrintVFT((VFUNC*)(*((int*)&d)));//64位用long long

	X x;
	PrintVFT((VFUNC*)(*((int*)&x)));
	return 0;
}

需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最
后面没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的-生成-清理解决方案，再编译就好了。
 

运行结果：

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可以证明我们的猜想是正确的。虚函数的地址一定会放入虚函数表中。

5.2 多继承中的虚函数表

多继承中有几个虚函数表？ 

 多继承中子类有几个父类有虚表就有几张虚表，多继承派生类的未重写的虚函数放在第一个有虚函数表的继承基类中，会将继承顺序中前几个没有虚函数表的类后移，将有存放自己的虚函数的虚函数表的基类放在最前面的。如果继承的基类中都没有虚函数表，则自己创建并放在最前面。

class Base1
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Base1::func1" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "Base1::func2" << endl;
	}
private:
	int b1;
};

class Base2
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "Base2::func1" << endl;
	}
	virtual void func2()
	{
		cout << "Base2::func2" << endl;
	}
private:
	int b2;
};

class Derive : public Base1 , public Base2
{
public:
	virtual void func1()//重写了两个func1，两张虚表中func1的地址不一样，
                        //对真实func1地址包裹了几层，但他们的目的地都是调用一个funct1函数
	{
		cout << "Derive::func1" << endl;
	}
	//自己的虚函数会放到第一虚表中
	virtual void func3()
	{
		cout << "Derive::func3" << endl;
	}
private:
	int d1;
};

int main()
{
	Derive d;
	PrintVFT((VFUNC*)(*((int*)&d)));//打印d中Base1部分的虚函数表

    打印d中Base2部分的虚函数表
	//PrintVFT((VFUNC*)(*(((int*)&d)+2)));//方式1
	//PrintVFT((VFUNC*)(*(((int*)((char*)&d+sizeof(Base1))))));//方式2
	Base2* ptr = &d;//方式3
	PrintVFT((VFUNC*)(*((int*)ptr)));

	//调用同一个函数，地址不同
	Base1* p1 = &d;
	p1->func1();

	Base2* p2 = &d;//中间会修正this指针
	//this指针需要是&d的首地址，不然无法访问Derive的全部内容
	p2->func1();
	return 0;
}

Derive结构示意图：

C++中的多态你真的了解吗？多态原理全面具体讲解,C++,c++,开发语言,多态,虚函数表,虚基表,菱形继承,继承因为Base1和Base2中都有一份func1，而Derive中也有func1，且构成重写关系，所以对Base1和Base2中的func1都进行了重写。多继承派生类的未重写的虚函数放在第一个继承基类部分的虚函数表中。 func3是子类自己的虚函数，放到第一个第一个父类虚表中。

C++中的多态你真的了解吗？多态原理全面具体讲解,C++,c++,开发语言,多态,虚函数表,虚基表,菱形继承,继承

运行结果：

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派生类 Derive  对Base1和Base2中的两个func1函数都进行了重写，那么为什么两张虚表中的func1函数地址不同？实际上它们调用的还是同一个函数，只不过中间进行了对this指针的修正，是的this指针指向对象的开头，大家可以自己对汇编代码进行跟踪查看。

5.3 菱形继承、菱形虚拟继承中的虚函数表

实际中我们不建议设计出菱形继承及菱形虚拟继承，一方面太复杂容易出问题，另一方面这样的模型，访问基类成员有一定得性能损耗。但是我这里讲一下，展示一下我的实力，了解即可。

代码示例：

class A
{
public:
	//a的虚表b和c共享
	virtual void func1()
	{
		cout << "void func1()" << endl;
	}

	int _a;
};

//如果b有虚表，d就放在b的虚表中，否则自己创建虚表
class B : public A
//class B : virtual public A
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "void func1()" << endl;
	}
	
	virtual void func2()
	{
		cout << "void func2()" << endl;
	}


	int _b;
};

class C : public A
//class C : virtual public A
{
public:
	virtual void func1()
	{
		cout << "void func1()" << endl;
	}

	virtual void func3()
	{
		cout << "void func3()" << endl;
	}

	int _c;
};


class D : public B , public C
{
public:
	//因为BC中都有func1，虚拟继承中必须对func1重写，否则编译器不知道调用哪个func1
	virtual void func1()
	{
		cout << "void func1()" << endl;
	}

	virtual void func4()
	{
		cout << "void func4()" << endl;
	}

	int _d;
};


int main()
{
	D d;
	d.B::_a = 1;
	d.C::_a = 2;
	d._b = 3;
	d._c = 4;
	d._d = 5;

	return 0;
}

 没有使用虚拟继承的调试分析：

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没有使用虚拟继承的情况下，与多继承相似。B和C各自有一个虚函数表，然会D中没有重写的虚函数放到第一个继承基类的虚函数表中。如果第一个继承基类没有虚函数表，会按继承顺序放到第一个有虚函数表的基类的虚函数表中，并把没有虚函数表的基类成员放到后面。如果都没有会自己创建虚函数表并放到最前面。

在上图中我们发现因为没有使用虚拟继承，A在内存中存在两份，造成数据冗余和二义性。下面我们使用虚拟继承来调试分析：

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这里就可以理解之前继承文章中虚基表的内容了。第一个是存放自己虚函数表的偏移量，第二个存放共同基类A::_a的偏移量，通过偏移量可以直接找到相应的内容。共同基类A放到最下面，只有一份，重写A的虚函数时，都只会修改这一个。B和C中的虚函数表中没有A的虚函数，都是各自一份存放自己的虚函数，当然派生类D的虚函数会放到第一个基类的虚表中。

6. 继承和多态常见的问题

  1. 什么是多态？答：参考本节内容
  2. 什么是重载、重写(覆盖)、重定义(隐藏)？答：参考本节内容
  3. 多态的实现原理？答：参考本节内容
  4. inline函数可以是虚函数吗？答：可以，不过编译器就忽略inline属性，这个函数就不再是inline，因为虚函数的地址要放到虚表中去，而inline编译时嵌入代码，不会生成指令，没有的地址。普通调用，inline起作用。多态调用，inline不起作用。
  5. 静态成员可以是虚函数吗？答：不能，因为静态成员函数没有this指针，使用类型::成员函数的调用方式无法访问虚函数表，所以静态成员函数无法放进虚函数表。
  6. 构造函数可以是虚函数吗？答：不能，因为对象中的虚函数表指针是在构造函数初始化列表阶段才初始化的。
  7. 析构函数可以是虚函数吗？什么场景下析构函数是虚函数？答：可以，并且最好把基类的析构函数定义成虚函数。参考本节内容
  8. 对象访问普通函数快还是虚函数更快？答：首先如果是普通对象，是一样快的。如果是指针对象或者是引用对象，则调用普通函数快，因为构成多态，运行时调用虚函数需要到虚函数表中去查找。
  9. 虚函数表是在什么阶段生成的，存在哪的？答：虚函数表是在编译阶段就生成的，一般情况下存在代码段(常量区)的。
  10. C++菱形继承的问题？虚继承的原理？答：参考继承课件。注意这里不要把虚函数表和虚基表搞混了。
  11. 什么是抽象类？抽象类的作用？答：参考（3.抽象类）。抽象类强制重写了虚函数，另外抽象类体现出了接口继承关系

本篇结束！
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到了这里，关于C++中的多态你真的了解吗？多态原理全面具体讲解的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！

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