虚函数详解

一、多态与重载

1、多态的概念

  面向对象的语言有三大特性：继承、封装、多态。虚函数作为多态的实现方式，重要性毋庸置疑。

  多态意指相同的消息给予不同的对象会引发不同的动作（一个接口，多种方法）。其实更简单地来说，就是“在用父类指针调用函数时，实际调用的是指针指向的实际类型（子类）的成员函数”。多态性使得程序调用的函数是在运行时动态确定的，而不是在编译时静态确定的。

2、重载—编译期多态的体现

  重载，是指在一个类中的同名不同参数的函数调用，这样的方法调用是在编译期间确定的。

3、虚函数—运行期多态的体现

  运行期多态发生的三个条件：继承关系、虚函数覆盖、父类指针或引用指向子类对象。

二、虚函数实例

#include <iostream>
#include <conio.h>
using namespace std;

class Base
{
public:
    virtual void vir_fun() { cout << "vitrual function,this is class Bass" <<endl;}
    void fun(){ cout << "normal function,this is class Bass" <<endl;}
};
class A : public Base
{
public:
    virtual void vir_fun() { cout << "vitrual function,this is class A" <<endl;}
    void fun(){ cout << "normal function,this is class A" <<endl;}
};

class B : public Base
{
public:
    virtual void vir_fun() { cout << "vitrual function,this is class B" <<endl;}
    void fun(){ cout << "normal function,this is class B" <<endl;}
};

int main()
{
    Base * b1 = new (Base);
    Base *b2 = new (A);
    Base *b3 = new (B);
    b1->fun();  //调用的都是基类base的函数
    b2->fun();   //调用的都是基类base的函数
    b3->fun ();  //调用的都是基类base的函数

    cout << "############################## " << endl ;
    b1->vir_fun();  //调用的是指针指向的实际类型的函数   BASE
    
    b2->vir_fun();  //调用的是指针指向的实际类型的函数   A
    
    b3->vir_fun();  //调用的是指针指向的实际类型的函数   B
    cout << "############################## " << endl ;
    ((A*) b2)->vir_fun();    //A
    ((B *)b3)->vir_fun();    //B

    cout << "############################## " << endl ;
    ((A*) b2)->fun();       //A
    ((B *)b3)->fun();       //B

    //当使用类的指针调用成员函数时，普通函数由指针类型决定，
    //而虚函数由指针指向的实际类型决定
}

显示的内容

/* 显示内容
    normal function,this is class Bass
    normal function,this is class Bass
    normal function,this is class Bass
    ##############################
    vitrual function,this is class Bass
    vitrual function,this is class A
    vitrual function,this is class B
    ##############################
    vitrual function,this is class A
    vitrual function,this is class B
    ##############################
    normal function,this is class A
    normal function,this is class B
    */

在上述例子中，我们首先定义了一个基类base，基类有一个名为vir_func的虚函数，和一个名为func的普通成员函数。而类A，B都是由类base派生的子类，并且都对成员函数进行了重载。然后我们定义三个base类型的指针Base、a、b分别指向类base、A、B。可以看到，当使用这三个指针调用func函数时，调用的都是基类base的函数。而使用这三个指针调用虚函数vir_func时，调用的是指针指向的实际类型的函数。最后，我们将指针b做强制类型转换，转换为A类型指针，然后分别调用func和vir_func函数，发现普通函数调用的是类A的函数，而虚函数调用的是类B的函数。

  以上，我们可以得出结论当使用类的指针调用成员函数时，普通函数由指针类型决定，而虚函数由指针指向的实际类型决定。

  虚函数的实现过程：通过对象内存中的vptr找到虚函数表vtbl，接着通过vtbl找到对应虚函数的实现区域并进行调用。

三、虚函数的实现（内存布局）

  虚函数表中只存有一个虚函数的指针地址，不存放普通函数或是构造函数的指针地址。只要有虚函数，C++类都会存在这样的一张虚函数表，不管是普通虚函数亦或是纯虚函数，亦或是派生类中隐式声明的这些虚函数都会生成这张虚函数表。

  虚函数表创建的时间：在一个类构造的时候，创建这张虚函数表，而这个虚函数表是供整个类所共有的。虚函数表存储在对象最开始的位置。虚函数表其实就是函数指针的地址。函数调用的时候，通过函数指针所指向的函数来调用函数。

1、无继承情况

#include <iostream>
using namespace std;
 
class Base
{
public:
    Base(){cout<<"Base construct"<<endl;}
    virtual void f() {cout<<"Base::f()"<<endl;}
    virtual void g() {cout<<"Base::g()"<<endl;}
    virtual void h() {cout<<"Base::h()"<<endl;}
    virtual ~Base(){}
};
 
int main()
{
    typedef void (*Fun)();  //定义一个函数指针类型变量类型 Fun
    Base *b = new Base();
    //虚函数表存储在对象最开始的位置
    //将对象的首地址输出
    cout<<"首地址："<<*(int*)(&b)<<endl;
 
    Fun funf = (Fun)(*(int*)*(int*)b);
    Fun fung = (Fun)(*((int*)*(int*)b+1));//地址内的值 即为函数指针的地址，将函数指针的地址存储在了虚函数表中了
    Fun funh = (Fun)(*((int *)*(int *)b+2));
 
    funf();
    fung();
    funh();
 
    cout<<(Fun)(*((int*)*(int*)b+4))<<endl; //最后一个位置为0 表明虚函数表结束 +4是因为定义了一个 虚析构函数
 
    delete b;
    return 0;
}

2、单继承情况（无虚函数覆盖）

  假设有如下所示的一个继承关系：

  请注意，在这个继承关系中，子类没有重载任何父类的函数。那么，在派生类的实例中，其虚函数表如下所示：

【Note】：

• 覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。

• 没有被覆盖的函数依旧在原来的位置。

这样，我们就可以看到对于下面这样的程序，

Base *b = new Derive();
b->f();

由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代，于是在实际调用发生时，是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。

4、多重继承情况（无虚函数覆盖）

  下面，再让我们来看看多重继承中的情况，假设有下面这样一个类的继承关系。注意：子类并没有覆盖父类的函数。

 对于子类实例中的虚函数表，是下面这个样子：

Note】：

• 每个父类都有自己的虚表（有几个基类就有几个虚函数表）。

• 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。（所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的）。

5、多重继承情况（有虚函数覆盖）

  下面我们再来看看，如果发生虚函数覆盖的情况。下图中，我们在子类中覆盖了父类的f()函数。

下面是对于子类实例中的虚函数表的图：

 我们可以看见，三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样，我们就可以任一静态类型的父类来指向子类，并调用子类的f()了。如：

Derive d;
Base1 *b1 = &d;
Base2 *b2 = &d;
Base3 *b3 = &d;
b1->f(); //Derive::f()
b2->f(); //Derive::f()
b3->f(); //Derive::f()
b1->g(); //Base1::g()
b2->g(); //Base2::g()
b3->g(); //Base3::g()

四、虚函数的相关问题

1、构造函数为什么不能定义为虚函数

  构造函数不能是虚函数。

  首先，我们已经知道虚函数的实现则是通过对象内存中的vptr来实现的。而构造函数是用来实例化一个对象的，通俗来讲就是为对象内存中的值做初始化操作。那么在构造函数完成之前，vptr是没有值的，也就无法通过vptr找到作为虚函数的构造函数所在的代码区。

2、析构函数为什么要定义为虚函数？

  析构函数可以是虚函数且推荐最好设置为虚函数。

class B
{
public:
    B() { printf("B()
"); }
    virtual ~B() { printf("~B()
"); }
private:
    int m_b;
};
 
class D : public B
{
public:
    D() { printf("D()
"); }
    ~D() { printf("~D()
"); }
private:
    int m_d;
};
 
int main()
{
    B* pB = new D();
    delete pB;
    return 0;
}

C++中有这样的约束：执行子类构造函数之前一定会执行父类的构造函数；同理，执行子类的析构函数后，一定会执行父类的析构函数，这也是为什么我们一直建议类的析构函数写成虚函数的原因。

3、如何去验证虚函数表的存在

typedef void(*Fun)(void);
// 取类的一个实例
Base b;
Fun pFun = NULL;
// 把&b转成int ，取得虚函数表的地址
cout << "虚函数表地址：" << (int*)(&b) << endl;
// 再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了
cout << "虚函数表 — 第一个函数地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;
pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
pFun();