继承、多态与 virtual 基础：C++ 如何表达可替换行为

C++ 的继承和多态用于表达“不同类型可以以同一接口被使用”。 它不是代码复用的万能工具。 继承会建立类型层级，虚函数会引入运行时派发，基类析构会影响资源释放。 初学阶段要先理解可替换行为，再决定是否需要继承。

基类和派生类

class Shape {
public:
  double x = 0;
  double y = 0;
};

class Circle : public Shape {
public:
  double radius = 1;
};

Circle 继承 Shape。 它拥有 Shape 的 public 成员，也有自己的 radius。

Circle c;
c.x = 10;
c.radius = 5;

这种继承表达“Circle 是一种 Shape”。 如果只是“包含一个 Shape”，组合可能更合适。

public 继承表达 is-a

public 继承意味着派生类对象可以被当作基类对象使用。

void move_to_origin(Shape& shape) {
  shape.x = 0;
  shape.y = 0;
}

Circle circle;
move_to_origin(circle);

这只有在派生类确实满足基类契约时才合理。 如果只是复用字段，不要用 public 继承。

成员访问控制

protected 不是默认好选择。 它会让派生类依赖基类内部实现。 基类内部改动会影响所有派生类。

虚函数实现运行时多态

class Shape {
public:
  virtual ~Shape() = default;
  virtual double area() const = 0;
};

class Circle : public Shape {
public:
  explicit Circle(double r) : radius_(r) {}

  double area() const override {
    return 3.14159 * radius_ * radius_;
  }

private:
  double radius_;
};

area 是虚函数。 通过基类引用调用时，会根据对象真实类型选择实现。

void print_area(const Shape& shape) {
  std::cout << shape.area() << '\n';
}

这就是多态。

纯虚函数定义接口

= 0 表示纯虚函数。 包含纯虚函数的类通常不能直接实例化。

class Renderer {
public:
  virtual ~Renderer() = default;
  virtual void render() = 0;
};

它表达接口。 具体类实现接口。

class OpenGLRenderer : public Renderer {
public:
  void render() override;
};

接口应该小而稳定。 不要把大量不相关能力塞进同一个基类。

override 防止签名写错

class Circle : public Shape {
public:
  double area() const override;
};

override 告诉编译器：这个函数必须覆写基类虚函数。 如果签名写错，编译器会报错。

没有 override 时，可能意外定义了新函数，导致多态不生效。 工程代码应坚持使用 override。

基类析构函数必须考虑 virtual

如果可能通过基类指针删除派生对象，基类析构函数必须是 virtual。

class Base {
public:
  virtual ~Base() = default;
};

否则：

Base* p = new Derived();
delete p;

可能只调用基类析构，派生类资源无法释放。 这是资源释放风险。

对象切片

按值传递基类会丢掉派生部分。

void draw(Shape shape); // 高风险

传入 Circle 时，只复制 Shape 子对象。 动态类型信息丢失。 多态对象应通过引用、指针或智能指针传递。

void draw(const Shape& shape);

组合优先于继承

如果关系不是“是一种”，而是“拥有一个”，用组合。

class Window {
public:
  void draw();

private:
  Renderer& renderer_;
};

组合让依赖更明确。 继承会把基类接口和实现细节带进派生类。 大多数复用场景不需要继承。

final 表达不再派生

class Circle final : public Shape {
public:
  double area() const override;
};

final 表示不能再继承。 它能表达设计边界，也可能帮助优化器去虚化。 不要随意给公共扩展点加 final。

抽象层级要浅

继承层级过深会带来问题：

• 构造析构顺序难理解。
• 虚函数覆写关系难审计。
• 基类变化影响范围大。
• 测试替身复杂。
• ABI 更不稳定。

优先使用小接口和组合。 不要把类型层级设计成家谱。

多态和性能

虚函数调用通常需要间接跳转。 这可能影响内联和分支预测。 但多数业务场景不应该先优化它。

性能敏感路径要用 profile 判断。 可能选择：

• 虚函数。
• 模板静态多态。
• std::variant。
• 函数对象。
• 手写函数表。

抽象方式取决于集合是否开放、是否跨 ABI、是否性能敏感。

工程风险

继承和多态常见风险：

• 基类析构非 virtual。
• 忘写 override。
• 构造函数或析构函数中调用依赖派生状态的虚函数。
• 按值传递多态对象导致切片。
• 用继承复用实现而不是表达 is-a。
• protected 暴露过多内部状态。
• 层级过深导致审计困难。
• 跨动态库暴露 C++ 多态类造成 ABI 风险。

这些问题会在后续虚表和 ABI 文章里继续深入。

小结

继承表达类型替代关系。 虚函数表达运行时可替换行为。 多态让代码依赖接口而不是具体实现。 但继承也会带来生命周期、资源释放、性能和 ABI 风险。 C++ 里更稳妥的原则是：能组合就组合，确实需要开放运行时行为时再使用虚接口。