深入解析C++中的虛函數與多態

2020-01-26 15:49:49

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1.C++中的虛函數
C++中的虛函數的作用主要是實現了多態的機制。關于多態，簡而言之就是用父類型別的指針指向其子類的實例，然后通過父類的指針調用實際子類的成員函數。這種技術可以讓父類的指針有“多種形態”，這是一種泛型技術。所謂泛型技術，說白了就是試圖使用不變的代碼來實現可變的算法。比如：模板技術，RTTI技術，虛函數技術，要么是試圖做到在編譯時決議，要么試圖做到運行時決議。

對C++ 了解的人都應該知道虛函數（Virtual Function）是通過一張虛函數表（Virtual Table）和一個指向虛函數表的指針（vptr）來實現的。虛函數表，簡稱為vtbl，虛函數表表對實現多態起著至關重要的作用。在這個表中，主要保存了一個類中的虛函數的地址，這張表解決了繼承、覆蓋的問題，保證其內容能真實反應實際的函數。每一個包含虛函數的類的實例都包含一個cptr指針，指向虛函數表的首地址。我們可以通過這個指針找到要訪問的虛函數的，完成虛函數的調用主要包括：找到虛函數表的首地址（vptr），通過cptr找到要使用虛函數地址，調用虛函數。那么使用虛函數大家總要考慮效率的問題，實際上為了提高效率，C++的編譯器是保證虛函數表的指針存在于對象實例中最前面的位置，這是為了保證取到虛函數表的有最高的性能，這意味著我們通過對象實例的地址得到這張虛函數表，然后通過遍歷表就可以找到其中的虛函數的地址，然后調用相應的函數。不妨看看下面的代碼：

復制代碼代碼如下:

#include <iostream>

using namespace std;

class Base
{
public:
    virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }
    virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }
    virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }
};

typedef void(*Fun)(void);

int main()
{
    Base b;
    Fun pFun = NULL;
    cout << "虛函數表地址：" << (int*)(&b) << endl;
    cout << "虛函數表 ― 第一個函數地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;
    pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
    pFun();
    return 0;
}

通過這個示例，可以看到，通過強行把&b轉成int *，取得虛函數表的地址（vptr），然后，再次取址就可以得到第一個虛函數的地址了，也就是Base::f()，這在上面的程序中得到了驗證（把int* 強制轉成了函數指針）。通過這個示例，我們就可以知道如果要調用Base::g()和Base::h()，其代碼如下：

復制代碼代碼如下:

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::f()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base::g()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h()

可以看看虛函數表的圖是怎么畫的：

大家都知道，多態是通過繼承實現的，那么我們要說說虛函數繼承的問題。繼承就涉及到了虛函數的覆蓋了，實際上不被覆蓋的虛函數和多態又有什么聯系呢？這里我們討論有覆蓋的虛函數表是什么樣的，假設存在下面的繼承關系：

看看虛函數表示什么樣的：

可以發現，Base：：f（）被覆蓋了，這樣若把Derive的實例賦值給一個基類Base指針pBase，通過pBase->f()；則訪問的是子類中的f（）也就是完成了多態。那么虛函數表中的內容到底是怎么樣的呢？可以看看下面的四句話就會明白！

1.虛函數按照其聲明順序放于表中。

2.父類的虛函數在子類的虛函數前面。

3.覆蓋的f()函數被放到了虛表中原來父類虛函數的位置。

4.沒有被覆蓋的函數依舊。

2.用虛函數實現多態
看看下面的多態的代碼：

復制代碼代碼如下:

#include <iostream>

using namespace std;

class Base
{
public:
    virtual void Print()
    {
        cout<<"Base::Print()"<<endl;
    }
};
class Derive : public Base
{
public:
    virtual void Print()
    {
        cout<<"Derive::Print()"<<endl;
    }
};
int main()
{
    Derive derive;
    Base *pBase = &derive;
    pBase->Print();
    return 0;
}
//多態代碼