如何在C＋中正确地使用多态和继承？掌握这些技巧，让你的程序性能和可维护性双双提升！

C++作为一种面向对象编程语言，提供了许多强大的特性，其中多态和继承是其最重要的两个特性之一。这两个特性可以极大地提高代码的可重用性和灵活性，因此在实际编程中广泛应用。下面我们将重点介绍多态和继承的实践应用和优化技巧。

一、多态的实践应用

虚函数表

在C++中，多态性可以通过虚函数来实现。当在基类中声明一个虚函数时，派生类可以重新定义该函数，并且在程序运行时将根据对象的类型来调用正确的函数。这种机制可以让程序更加灵活，可以根据实际需要动态地选择不同的实现方式。

虚函数的实现是通过虚函数表来实现的。虚函数表是一个指针数组，其中每个指针指向一个虚函数的地址。每个对象都有一个指向虚函数表的指针，这个指针在对象创建时被初始化，指向其类的虚函数表。当调用虚函数时，程序将通过对象的虚函数表找到正确的函数地址并调用之。

纯虚函数

纯虚函数是一种特殊的虚函数，它在基类中声明，但不定义。纯虚函数的实现由派生类提供，因此它可以用来定义接口。如果一个类中包含一个或多个纯虚函数，那么这个类就是抽象类，不能实例化。

在实际编程中，我们通常将基类中包含的纯虚函数视为接口，派生类必须实现这些接口才能被实例化。这种机制可以帮助我们实现接口和实现的分离，从而提高代码的可读性和可维护性。

虚析构函数

虚析构函数在多态性中也扮演着重要的角色。如果一个类中包含了动态分配的内存，那么就需要在析构函数中释放这些内存。但是如果将析构函数定义为非虚函数，则在删除派生类对象时，只会调用基类的析构函数，而不会调用派生类的析构函数，这会导致内存泄漏。为了避免这种情况，我们通常将析构函数定义为虚函数，这样在删除对象时，会调用正确的析构函数

二、继承的实践应用

单继承和多继承

C++中支持单继承和多继承两种继承方式。单继承是指一个派生类只从一个基类继承，而多继承则允许一个派生类从多个基类继承。在实际编程中，我们通常根据实际需要选择单继承或多继承。

基类和派生类之间的转换

在C++中，派生类对象可以隐式地转换为基类对象，但是基类对象不能隐式地转换为派生类对象。这是因为基类对象并不包含派生类对象的成员。如果需要将基类对象转换为派生类对象，可以使用dynamic_cast运算符进行转换，但是这需要在编译时开启RTTI（运行时类型信息）选项。

虚继承

虚继承是多重继承的一种形式，它可以解决多重继承中的二义性问题。在虚继承中，共同基类的成员只会在派生类中存在一份，从而避免了多次继承同一基类导致的冗余。在实际编程中，虚继承应该谨慎使用，因为它会增加程序的复杂度。

三、多态和继承的优化技巧

避免过度使用虚函数

虚函数的调用会涉及虚函数表的查找，这会带来一定的性能损失。因此，在实际编程中，我们应该避免过度使用虚函数。如果一个函数只在基类中被调用，而不需要在派生类中重新定义，那么就应该将其定义为非虚函数。

使用静态多态

静态多态是指在编译时根据函数参数的类型决定调用哪个函数。静态多态可以通过函数重载和模板实现。在实际编程中，我们应该尽可能使用静态多态，因为它可以避免虚函数带来的性能损失。

将虚函数定义为内联函数

内联函数的调用不涉及函数调用的开销，因此在一些简单的虚函数中，我们可以将其定义为内联函数，从而提高程序的性能。

将对象的内存分配在栈上

在C++中，对象的内存可以分配在栈上或堆上。在实际编程中，我们应该尽可能将对象的内存分配在栈上，这样可以避免堆上分配内存的开销，从而提高程序的性能。

使用虚函数指针替代虚函数表

在一些实时性要求高的场景中，虚函数表的查找时间可能会导致程序的性能问题。这时，我们可以使用虚函数指针来代替虚函数表，从而提高程序的性能。

下面提供一些具体的继承和多态的实例：

电子设备的继承实例

考虑一个电子设备的继承实例，我们可以定义一个基类Electronic，它包含一些基本属性和行为，如电源开关、电源电压等。然后，我们可以定义派生类Computer、MobilePhone、TV等，它们分别具有自己的属性和行为，如CPU、内存、屏幕大小、通信模块等。通过继承，我们可以在派生类中重写基类中的方法，并且可以使用多态来实现不同设备的功能扩展。例如，可以定义一个虚函数playVideo，在Computer和TV类中分别重写这个函数来实现不同的播放方式。

动物类的多态实例

考虑一个动物类的多态实例，我们可以定义一个基类Animal，它包含一些基本属性和行为，如呼吸、进食等。然后，我们可以定义派生类Cat、Dog、Bird等，它们分别具有自己的属性和行为，如体型、喜好、飞行能力等。通过使用多态，我们可以将这些不同的派生类对象存储在一个Animal指针数组中，并使用一个虚函数makeSound来调用它们各自的声音。

图形类的继承实例

考虑一个图形类的继承实例，我们可以定义一个基类Shape，它包含一些基本属性和行为，如面积、周长等。然后，我们可以定义派生类Circle、Rectangle、Triangle等，它们分别具有自己的属性和行为，如半径、长宽、三角形边长等。通过继承，我们可以在派生类中重写基类中的方法，并且可以使用多态来实现不同图形的面积计算。例如，可以定义一个虚函数getArea，在Circle、Rectangle、Triangle类中分别重写这个函数来实现不同形状的面积计算。

这些实例只是多态和继承在实际应用中的一部分，希望能给您提供一些启示。在实际编程中，根据需求选择合适的继承和多态方式，并合理使用优化技巧，能够让程序更加高效、易于维护。

下面提供一些优化多态和继承性能的具体实践：

将虚函数定义为内联函数

虚函数一般不建议定义为内联函数，但是如果虚函数被频繁调用且函数体较小，可以将其定义为内联函数，从而减少函数调用开销。例如，如果在电子设备的继承实例中，我们需要频繁调用一个名为powerOn的虚函数，可以将其定义为内联函数来提高程序的性能。

将对象的内存分配在栈上

在程序中，我们可以将对象的内存分配在栈上而非堆上，从而避免频繁的动态内存分配和释放开销。这样做还可以提高程序的空间局部性，从而提高缓存的命中率，进而提高程序的性能。

使用静态多态

在一些简单的情况下，可以使用静态多态来避免虚函数的调用开销。例如，在电子设备的继承实例中，我们可以使用模板来实现一些通用的功能，如打印设备信息。这样，我们可以在编译期间就确定具体的函数，而无需在运行时进行函数调用，从而避免了虚函数的调用开销。

避免过度使用虚函数

虚函数的调用开销比非虚函数要高，因此，在实际编程中，我们应该避免过度使用虚函数。例如，在电子设备的继承实例中，我们可以将一些通用的函数定义为非虚函数，从而避免虚函数的调用开销。

使用虚函数指针替代虚函数表

在一些实时性要求高的场景中，虚函数表的查找时间可能会导致程序的性能问题。这时，我们可以使用虚函数指针来代替虚函数表，从而提高程序的性能。例如，在动物类的多态实例中，我们可以使用虚函数指针来代替虚函数表，从而减少虚函数表的查找开销。

这些优化实践可以帮助我们提高程序的性能和效率，但是在实际应用中，需要根据具体情况进行选择和使用。

除了上面提到的优化实践，还有一些需要注意的点：

构造函数和析构函数的调用顺序

在使用继承时，需要注意构造函数和析构函数的调用顺序。子类的构造函数会先调用父类的构造函数，而析构函数的调用顺序与构造函数相反。因此，在设计类的构造函数和析构函数时，需要注意它们的调用顺序，以避免出现不必要的问题。

虚函数的访问控制

虚函数可以在派生类中重新定义，但需要注意访问控制的问题。如果基类中的虚函数是私有的，那么派生类无法直接调用它。如果需要在派生类中重新定义这个函数，可以使用protected或public访问控制来实现。

多重继承的问题

多重继承是一种复杂的继承方式，需要注意一些问题。例如，如果两个基类中有同名的虚函数，派生类需要显式地指定使用哪个基类的函数。另外，多重继承还可能导致菱形继承的问题，即某个类同时继承自两个有公共基类的类，需要注意解决冲突的方式。

四、总结

多态和继承是C++中非常重要的概念，它们为我们提供了非常强大的编程能力。在实际编程中，我们需要根据实际需求来选择单继承或多继承，避免过度使用虚函数，并尽可能使用静态多态来提高程序的性能。同时，我们还可以使用一些技巧来优化程序的性能，如将虚函数定义为内联函数，将对象的内存分配在栈上，以及使用虚函数指针来代替虚函数表等。

总之，多态和继承是面向对象编程中重要的概念，掌握它们的使用和优化实践对于提高程序的性能和可维护性至关重要。