面试题：C++ 中 static 函数与普通函数在多态性表现上的差异

Question

在 C++ 多态性的情境下，分析 static 函数和普通函数在虚函数机制、动态绑定等方面的不同行为，举例说明。

Answer 1

1. static 函数与虚函数机制、动态绑定的关系

• 虚函数机制：
  • static 函数：static函数不属于任何对象实例，它不参与虚函数机制。虚函数是基于对象的动态类型来实现多态行为，而static函数没有“对象的动态类型”这个概念，因为它与对象实例无关。
  • 普通函数：普通成员函数可以声明为虚函数。一旦声明为虚函数，在派生类中可以重写（override），从而实现多态行为。
• 动态绑定：
  • static 函数：不支持动态绑定。static函数的调用是在编译期确定的，根据调用函数的对象指针或引用的静态类型来确定调用哪个static函数，与对象的实际类型无关。
  • 普通函数：普通虚函数支持动态绑定。在通过基类指针或引用调用虚函数时，会在运行期根据对象的实际类型来决定调用哪个函数版本，即实现动态绑定。

2. 示例代码

#include <iostream>

class Base {
public:
    static void staticFunction() {
        std::cout << "Base::staticFunction" << std::endl;
    }

    virtual void virtualFunction() {
        std::cout << "Base::virtualFunction" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    static void staticFunction() {
        std::cout << "Derived::staticFunction" << std::endl;
    }

    void virtualFunction() override {
        std::cout << "Derived::virtualFunction" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base* basePtr = new Derived();
    // 调用 static 函数，根据指针的静态类型（Base*）确定调用 Base::staticFunction
    basePtr->staticFunction();
    // 调用虚函数，根据对象的实际类型（Derived）确定调用 Derived::virtualFunction
    basePtr->virtualFunction();

    Derived* derivedPtr = dynamic_cast<Derived*>(basePtr);
    if (derivedPtr) {
        // 调用 static 函数，根据指针的静态类型（Derived*）确定调用 Derived::staticFunction
        derivedPtr->staticFunction();
    }

    delete basePtr;
    return 0;
}

在上述代码中：

• 对于staticFunction，无论basePtr指向Base对象还是Derived对象，通过basePtr调用staticFunction都是调用Base类的staticFunction，因为static函数调用是基于指针的静态类型。
• 对于virtualFunction，由于它是虚函数，通过basePtr调用时，会根据basePtr所指向对象的实际类型（这里是Derived），调用Derived类的virtualFunction，体现了动态绑定。