深入解析C++中的虚函数与多态

2020-02-24 14:24:54

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供稿：网友

虚拟函数是通过一个虚拟函数表和一个指向虚拟函数表的指针来实现的，今天武林技术频道小编就来给大家介绍深入解析C++中的虚函数与多态，希望对你学习有所帮助。

1.C++中的虚函数
C++中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态，简而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”，这是一种泛型技术。所谓泛型技术，说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比如：模板技术，RTTI技术，虚函数技术，要么是试图做到在编译时决议，要么试图做到运行时决议。

对C++ 了解的人都应该知道虚函数（Virtual Function）是通过一张虚函数表（Virtual Table）和一个指向虚函数表的指针（vptr）来实现的。虚函数表，简称为vtbl，虚函数表表对实现多态起着至关重要的作用。在这个表中，主要保存了一个类中的虚函数的地址，这张表解决了继承、覆盖的问题，保证其内容能真实反应实际的函数。每一个包含虚函数的类的实例都包含一个cptr指针，指向虚函数表的首地址。我们可以通过这个指针找到要访问的虚函数的，完成虚函数的调用主要包括：找到虚函数表的首地址（vptr），通过cptr找到要使用虚函数地址，调用虚函数。那么使用虚函数大家总要考虑效率的问题，实际上为了提高效率，C++的编译器是保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置，这是为了保证取到虚函数表的有最高的性能，这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表，然后通过遍历表就可以找到其中的虚函数的地址，然后调用相应的函数。不妨看看下面的代码：

#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 << "虚函数表地址：" << (int*)(&b) << endl;
    cout << "虚函数表 — 第一个函数地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;
    pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
    pFun();
    return 0;
}

通过这个示例，可以看到，通过强行把&b转成int *，取得虚函数表的地址（vptr），然后，再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了，也就是Base::f()，这在上面的程序中得到了验证（把int* 强制转成了函数指针）。通过这个示例，我们就可以知道如果要调用Base::g()和Base::h()，其代码如下：

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

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

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

可以看看虚函数表的图是怎么画的：

大家都知道，多态是通过继承实现的，那么我们要说说虚函数继承的问题。继承就涉及到了虚函数的覆盖了，实际上不被覆盖的虚函数和多态又有什么联系呢？这里我们讨论有覆盖的虚函数表是什么样的，假设存在下面的继承关系：

看看虚函数表示什么样的：

可以发现，Base：：f（）被覆盖了，这样若把Derive的实例赋值给一个基类Base指针pBase，通过pBase->f()；则访问的是子类中的f（）也就是完成了多态。那么虚函数表中的内容到底是怎么样的呢？可以看看下面的四句话就会明白！

1.虚函数按照其声明顺序放于表中。

2.父类的虚函数在子类的虚函数前面。

3.覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。

4.没有被覆盖的函数依旧。

2.用虚函数实现多态
看看下面的多态的代码：

#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;
}
//多态代码