深入解析C++中的虛函數與多態

2020-02-24 14:24:54

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虛擬函數是通過一個虛擬函數表和一個指向虛擬函數表的指針來實現的，今天武林技術頻道小編就來給大家介紹深入解析C++中的虛函數與多態，希望對你學習有所幫助。

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：

#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：

(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：

#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