编译时多态与运行时多态

1. 编译时多态

含义

  • 编译时多态（Static Polymorphism）是在编译阶段通过函数或操作的重载、模板等机制实现的多样化行为。
  • 也称为静态多态，因为函数调用在编译时就绑定（静态绑定）。

实现方式

  • 函数重载：根据参数类型或数量选择不同函数。
  • 运算符重载：自定义运算符行为。
  • 模板：通过模板参数生成不同类型的函数或类（模板特化）。

特点

  • 效率高：编译时解析，无运行时开销。
  • 类型固定：需要在编译时确定调用类型。
  • 无虚函数：不涉及虚函数表（vtable，参考上下文）。

代码示例

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#include <iostream>

// 函数重载
void print(int x) { std::cout << "Int: " << x << "\n"; }
void print(double x) { std::cout << "Double: " << x << "\n"; }

// 模板
template<typename T>
T add(T a, T b) { return a + b; }

int main() {
    print(5);        // 调用 print(int)
    print(5.5);      // 调用 print(double)
    std::cout << add(3, 4) << "\n";     // 输出: 7 (int)
    std::cout << add(3.5, 4.5) << "\n"; // 输出: 8.0 (double)
}

2. 运行时多态

含义

  • 运行时多态（Dynamic Polymorphism）是在运行阶段通过虚函数和继承实现的动态行为。
  • 也称为动态多态，因为函数调用在运行时根据对象实际类型绑定（动态绑定）。

实现方式

  • 虚函数：通过 virtual 关键字声明，派生类重写基类虚函数（参考上下文）。
  • 基类指针或引用：指向派生类对象，动态调用对应函数。

特点

  • 灵活性高：支持动态类型，运行时决定行为。
  • 性能开销：涉及虚函数表（vtable）和虚函数表指针（vptr，参考上下文），增加内存和运行时查找成本。
  • 依赖继承：需通过类层次结构实现。

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#include <iostream>

class Base {
public:
    virtual void func() { std::cout << "Base::func\n"; }
    virtual ~Base() = default;
};

class Derived : public Base {
public:
    void func() override { std::cout << "Derived::func\n"; }
};

int main() {
    Base* ptr = new Derived();
    ptr->func(); // 输出: Derived::func（运行时决定）
    delete ptr;
}

3. 对比总结

特性 编译时多态 运行时多态
实现方式 函数重载、模板、运算符重载 虚函数、继承
绑定时间 编译时（静态绑定） 运行时（动态绑定）
性能 无运行时开销，高效 有 vtable/vptr 开销
灵活性 类型需编译时确定 支持运行时动态类型
典型场景 通用编程、模板库 多态对象、插件系统

与上下文联系

  • 虚函数（参考上下文）：运行时多态的核心，依赖 vtable 和 vptr（参考上下文）。
  • 虚继承（参考上下文）：与运行时多态无关，但可能在多态类层次中出现，需注意虚析构函数（参考上下文）。
  • 内存对齐（参考上下文）：运行时多态的 vptr 可能影响对象大小和对齐，编译时多态无此问题。

4. 综合示例

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#include <iostream>

// 编译时多态：模板
template<typename T>
void print(T x) { std::cout << "Template: " << x << "\n"; }

// 运行时多态：虚函数
class Base {
public:
    virtual void func() { std::cout << "Base::func\n"; }
    virtual ~Base() = default;
};

class Derived : public Base {
public:
    void func() override { std::cout << "Derived::func\n"; }
};

int main() {
    // 编译时多态
    print(5);     // 输出: Template: 5
    print(5.5);   // 输出: Template: 5.5

    // 运行时多态
    Base* ptr = new Derived();
    ptr->func();  // 输出: Derived::func
    delete ptr;
}