虚函数详解

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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、虚函数重写、父类指针或引用指向子类对象。

4.重载和重写和覆盖的区别

1.重载：同一个类内（同一个类的作用域内），函数名相同，形参不同（个数不同或者名称不同）

2.重写（覆盖）：基类中定义一个函数，在派生类中定义一个相同的函数名、形参的数目/名称相同、返回值相同的函数，必须有virtual

二、虚函数实例

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写跟覆盖。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（覆盖的跟指针类型一致），而虚函数由指针指向的实际类型决定（重写的跟实际指向的类型一致）。

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）

【Note】：

虚函数按照其声明顺序放于表中。
父类的虚函数在子类的虚函数前面。

3、单继承情况（有虚函数覆盖）

【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）

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）

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

如果~B没有virtual，则下面结果

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。
  如果基类析构函数设置为虚函数，则父类指针实际指向的是子类的析构函数，执行子类的析构函数必然会执行父类析构函数，这样父类跟子类资源都得到释放。

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(); 

五、虚函数和纯虚函数的区别