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title: 理解C++虛擬函式
date: 2018-11-11 15:31:26

文章目錄

• • 1. 簡單介紹
  • 2. 虛擬函式的作用
  • 3. 虛擬函式的實際意義
  • 4. 淺談虛擬函式的原理
  • • 4.1. 自己定義了虛擬函式的類
    • 4.2. 既包含覆蓋虛擬函式，又包含繼承虛擬函式的類

1. 簡單介紹

C++虛擬函式是定義在基類中的函式，子類必須對其進行覆蓋。在類中宣告（無函式體的形式叫做宣告）虛擬函式的格式如下：

virtual void display();

2. 虛擬函式的作用

虛擬函式有兩大作用：

（1）定義子類物件，並呼叫物件中未被子類覆蓋的基類函式A。同時在該函式A中，又呼叫了已被子類覆蓋的基類函式B。那此時將會呼叫基類中的函式B，可我們本應該呼叫的是子類中的覆蓋函式B。虛擬函式即能解決這個問題。

以下是沒有使用虛擬函式的例子：

#include<iostream>

using namespace std;

// 基類 Father
class Father {
public:
    void display() {
        cout<<"Father::display()\n";
    }
    // 在函式中呼叫了，子類覆蓋基類的函式display()
    void fatherShowDisplay() {
        display();
    }
};

// 子類Son
class Son:public Father {
 

public:
    // 重寫基類中的display()函式
    void display() {
        cout<<"Son::display()\n";
    }
};

int main() {
    Son son;                    // 子類物件
    son.fatherShowDisplay();    // 通過基類中未被覆蓋的函式，想呼叫子類中覆蓋的display函式
}

該例子的執行結果是： Father::display()

以下是使用虛擬函式的例子：

#include<iostream>

using namespace std;
 


// 基類 Father
class Father {
public:
    virtual void display() {
        cout<<"Father::display()\n";
    }

    // 在函式中呼叫了，子類覆蓋基類的函式display()
    void fatherShowDisplay() {
        display();
    }
};

// 子類Son
class Son:public Father {
public:
    // 重寫基類中的display()函式
    void display() {
        cout<<"Son::display()\n";
    }
};

int main() {
    Son son;                    // 子類物件
    son.fatherShowDisplay();    // 通過基類中未被覆蓋的函式，想呼叫子類中覆蓋的display函式
}

該例子的執行結果是： Son::display()

（2）在使用指向子類物件的基類指標，並呼叫子類中的覆蓋函式時，如果該函式不是虛擬函式，那麼將呼叫基類中的該函式；如果該函式是虛擬函式，則會呼叫子類中的該函式。

以下是沒有使用虛擬函式的例子：

#include<iostream>

using namespace std;

// 基類 Father
class Father {
public:
    void display() {
        cout<<"Father::display()\n";
    }
};

// 子類Son
class Son:public Father {
public:
    // 覆蓋基類中的display函式
    void display() {
        cout<<"Son::display()\n";
    }
};

int main() {
    Father *fp;     // 定義基類指標
    Son son;        // 子類物件
    fp=&son;        // 使基類指標指向子類物件
    fp->display();  // 通過基類指標想呼叫子類中覆蓋的display函式
}

該例子的執行結果是： Father::display()
結果說明，通過指向子類物件的基類指標呼叫子類中的覆蓋函式是不能實現的，因此虛擬函式應運而生。

以下是使用虛擬函式的例子：

#include<iostream>

using namespace std;

// 基類 Father
class Father {
public:
    // 定義了虛擬函式
    void virtual display() {
        cout<<"Father::display()\n";
    }
};

// 子類Son
class Son:public Father {
public:
    // 覆蓋基類中的display函式
    void display() {
        cout<<"Son::display()\n";
    }
};

int main() {
    Father *fp;     // 定義基類指標
    Son son;        // 子類物件
    fp=&son;        // 使基類指標指向子類物件
    fp->display();  // 通過基類指標想呼叫子類中覆蓋的display函式
}

該例子的執行結果是： Son::display()

3. 虛擬函式的實際意義

或許，很多小夥伴都會有這樣一個疑問：如果想呼叫子類中的覆蓋函式，直接通過子類物件，或者指向子類物件的子類指標來呼叫，不就沒這個煩惱了嗎？要虛擬函式還有什麼用呢？

其實不然，虛擬函式的實際意義非常之大。比如在實際開發過程中，會用到別人封裝好的框架和類庫，我們可以通過繼承其中的類，並覆蓋基類中的函式，來實現自定義的功能。

但是，有些函式是需要框架來呼叫，並且API需要傳入基類指標型別的引數。而使用虛擬函式就可以，將指向子類物件的基類指標來作為引數傳入API，讓API能夠通過基類指標，來呼叫我們自定義的子類函式。這就是多型性的真正體現。

4. 淺談虛擬函式的原理

參考：C++中的虛擬函式(表)實現機制以及用C語言對其進行的模擬實現

虛擬函式的本質是一個簡單的虛擬函式表。

當一個類存在虛擬函式時，通過該類建立的物件例項，會在記憶體空間的前4位元組儲存一個指向虛擬函式表的指標__vfptr。

__vfptr指向的虛擬函式表，是類獨有的，而且被該類的所有物件共享。虛擬函式表的實質，是一個虛擬函式地址的陣列，它包含了類中每個虛擬函式的地址，既有當前類定義的虛擬函式，也有覆蓋父類的虛擬函式，也有繼承而來的虛擬函式。

當子類覆蓋了父類的虛擬函式時，子類虛擬函式表將包含子類虛擬函式的地址，而不會有父類虛擬函式的地址。

同時，當用基類指標指向子類物件時，基類指標指向的記憶體空間中的__vfptr依舊指向了子類的虛擬函式表。所以，基類指標依舊會呼叫子類的虛擬函式。

見如下示例：

4.1. 自己定義了虛擬函式的類

class Base1 {
public:
    int base1_1;
    int base1_2;

    virtual void base1_fun1() {}
    virtual void base1_fun2() {}
};

定義兩個物件：

Base1 b1;
Base1 b2;

兩個物件的記憶體空間分配如下：

4.2. 既包含覆蓋虛擬函式，又包含繼承虛擬函式的類

class Base1 {
public:
    int base1_1;
    int base1_2;

    virtual void base1_fun1() {}
    virtual void base1_fun2() {}
};

class Derive1 : public Base1 {
public:
    int derive1_1;
    int derive1_2;

    // 覆蓋基類函式
    virtual void base1_fun1() {}
};

定義一個子類物件：

Derive1 d1;

其記憶體空間如下：

由圖可以看出：

Base1 *b_p = &d1;     // 指向子類物件的基類指標
b_p->base1_fun1();    // 呼叫子類虛擬函式