虛擬函式和多型

01 虛擬函式

• 在類的定義中，前面有 virtual 關鍵字的成員函式稱為虛擬函式；
• virtual 關鍵字只用在類定義裡的函式宣告中，寫函式體時不用。

class Base 
{
    virtual int Fun() ; // 虛擬函式
};

int Base::Fun() // virtual 欄位不用在函式體時定義
{ }

02 多型的表現形式一

• 「派生類的指標」可以賦給「基類指標」；
• 通過基類指標呼叫基類和派生類中的同名「虛擬函式」時:
  1. 若該指標指向一個基類的物件，那麼被呼叫是
     基類的虛擬函式；
  2. 若該指標指向一個派生類的物件，那麼被呼叫
     的是派生類的虛擬函式。

這種機制就叫做“多型”，說白點就是呼叫哪個虛擬函式，取決於指標物件指向哪種型別的物件。

// 基類
class CFather 
{
public:
    virtual void Fun() { } // 虛擬函式
};

// 派生類
class CSon : public CFather 
{ 
public :
    virtual void Fun() { }
};

int main() 
{
    CSon son;
    CFather *p = &son;
    p->Fun(); //呼叫哪個虛擬函式取決於 p 指向哪種型別的物件
    return 0;
}

上例子中的 p 指標物件指向的是 CSon 類物件，所以 p->Fun() 呼叫的是 CSon

類裡的 Fun 成員函式。

03 多型的表現形式二

• 派生類的物件可以賦給基類「引用」
• 通過基類引用呼叫基類和派生類中的同名「虛擬函式」時:
  1. 若該引用引用的是一個基類的物件，那麼被調
     用是基類的虛擬函式；
  2. 若該引用引用的是一個派生類的物件，那麼被
     呼叫的是派生類的虛擬函式。

這種機制也叫做“多型”，說白點就是呼叫哪個虛擬函式，取決於引用的物件是哪種型別的物件。

// 基類
class CFather 
{
public:
    virtual void Fun() { } // 虛擬函式
};

// 派生類
class CSon : public CFather 
{ 
public :
    virtual void Fun() { }
};

int main() 
{
    CSon son;
    CFather &r = son;
    r.Fun(); //呼叫哪個虛擬函式取決於 r 引用哪種型別的物件
    return 0;
}
}
 

上例子中的 r 引用的物件是 CSon 類物件，所以 r.Fun() 呼叫的是 CSon 類裡的 Fun 成員函式。

04 多型的簡單示例

class A 
{
public :
    virtual void Print() { cout << "A::Print"<<endl ; }
};

// 繼承A類
class B: public A 
{
public :
    virtual void Print() { cout << "B::Print" <<endl; }
};

// 繼承A類
class D: public A 
{
public:
    virtual void Print() { cout << "D::Print" << endl ; }
};

// 繼承B類
class E: public B 
{
    virtual void Print() { cout << "E::Print" << endl ; }
};

A類、B類、E類、D類的關係如下圖：

int main() 
{
    A a; B b; E e; D d;
    
    A * pa = &a; 
    B * pb = &b;
    D * pd = &d; 
    E * pe = &e;
    
    pa->Print();  // a.Print()被呼叫，輸出：A::Print
    
    pa = pb;
    pa -> Print(); // b.Print()被呼叫，輸出：B::Print
    
    pa = pd;
    pa -> Print(); // d.Print()被呼叫，輸出：D::Print
    
    pa = pe;
    pa -> Print(); // e.Print()被呼叫，輸出：E::Print
    
    return 0;
}

05 多型作用

在面向物件的程式設計中使用「多型」，能夠增強程式的可擴充性，即程式需要修改或增加功能的時候，需要改動和增加的程式碼較少。

---

LOL 英雄聯盟遊戲例子

下面我們用設計 LOL 英雄聯盟遊戲的英雄的例子，說明多型為什麼可以在修改或增加功能的時候，可以較少的改動程式碼。

LOL 英雄聯盟是 5v5 競技遊戲，遊戲中有很多英雄，每種英雄都有一個「類」與之對應，每個英雄就是一個「物件」。

英雄之間能夠互相攻擊，攻擊敵人和被攻擊時都有相應的動作，動作是通過物件的成員函式實現的。

下面挑了五個英雄：

• 探險家 CEzreal
• 蓋樓 CGaren
• 盲僧 CLeesin
• 無極劍聖 CYi
• 瑞茲 CRyze

基本思路：

1. 為每個英雄類編寫 Attack、FightBack 和 Hurted 成員函式。

• Attack 函式表示攻擊動作；
• FightBack 函式表示反擊動作；
• Hurted 函式表示減少自身生命值，並表現受傷動作。

1. 設定基類CHero，每個英雄類都繼承此基類

02 非多型的實現方法

// 基類
class CHero 
{
protected:  
    int m_nPower ; //代表攻擊力
    int m_nLifeValue ; //代表生命值
};


// 無極劍聖類
class CYi : public CHero 
{
public:
    // 攻擊蓋倫的攻擊函式
    void Attack(CGaren * pGaren) 
    {
        .... // 表現攻擊動作的程式碼
        pGaren->Hurted(m_nPower);
        pGaren->FightBack(this);
    }

    // 攻擊瑞茲的攻擊函式
    void Attack(CRyze * pRyze) 
    {
        .... // 表現攻擊動作的程式碼
        pRyze->Hurted(m_nPower);
        pRyze->FightBack( this);
    }
    
    // 減少自身生命值
    void Hurted(int nPower) 
    {
        ... // 表現受傷動作的程式碼
        m_nLifeValue -= nPower;
    }
    
    // 反擊蓋倫的反擊函式
    void FightBack(CGaren * pGaren) 
    {
        ...．// 表現反擊動作的程式碼
        pGaren->Hurted(m_nPower/2);
    }
    
    // 反擊瑞茲的反擊函式
    void FightBack(CRyze * pRyze) 
    {
        ...．// 表現反擊動作的程式碼
        pRyze->Hurted(m_nPower/2);
    }
};

有 n 種英雄，CYi 類中就會有 n 個 Attack 成員函式，以及 n 個 FightBack
成員函式。對於其他類也如此。

如果遊戲版本升級，增加了新的英雄寒冰艾希 CAshe，則程式改動較大。所有的類都需要增加兩個成員函式:

void Attack(CAshe * pAshe);
void FightBack(CAshe * pAshe);

這樣工作量是非常大的！！非常的不人性，所以這種設計方式是非常的不好！

03 多型的實現方式

用多型的方式去實現，就能得知多型的優勢了，那麼上面的栗子改成多型的方式如下：

// 基類
class CHero 
{
public:
    virtual void Attack(CHero *pHero){}
    virtual voidFightBack(CHero *pHero){}
    virtual void Hurted(int nPower){}

protected:  
    int m_nPower ; //代表攻擊力
    int m_nLifeValue ; //代表生命值
};

// 派生類 CYi:
class CYi : public CHero {
public:
    // 攻擊函式
    void Attack(CHero * pHero) 
    {
        .... // 表現攻擊動作的程式碼
        pHero->Hurted(m_nPower); // 多型
        pHero->FightBack(this);  // 多型
    }
    
    // 減少自身生命值
    void Hurted(int nPower) 
    {
        ... // 表現受傷動作的程式碼
        m_nLifeValue -= nPower;
    }
    
    // 反擊函式
    void FightBack(CHero * pHero) 
    {
        ...．// 表現反擊動作的程式碼
        pHero->Hurted(m_nPower/2); // 多型
    }
};

如果增加了新的英雄寒冰艾希 CAshe，只需要編寫新類CAshe，不再需要在已有的類裡專門為新英雄增加：

void Attack( CAshe * pAshe) ;
void FightBack(CAshe * pAshe) ;

所以已有的類可以原封不動，那麼使用多型的特性新增英雄的時候，可見改動量是非常少的。

多型使用方式：

void CYi::Attack(CHero * pHero) 
{
    pHero->Hurted(m_nPower); // 多型
    pHero->FightBack(this);  // 多型
}

CYi yi; 
CGaren garen; 
CLeesin leesin; 
CEzreal ezreal;

yi.Attack( &garen );  //(1)
yi.Attack( &leesin ); //(2)
yi.Attack( &ezreal ); //(3)

根據多型的規則，上面的(1)，(2)，(3)進入到 CYi::Attack 函式後
，分別呼叫：

CGaren::Hurted
CLeesin::Hurted
CEzreal::Hurted

---

多型的又一例子

出一道題考考大家，看大家是否理解到了多型的特性，下面的程式碼，pBase->fun1()輸出結果是什麼呢？

class Base 
{
public:
    void fun1() 
    { 
        fun2(); 
    }
    
    virtual void fun2()  // 虛擬函式
    { 
        cout << "Base::fun2()" << endl; 
    }
};

class Derived : public Base 
{
public:
    virtual void fun2()  // 虛擬函式
    { 
        cout << "Derived:fun2()" << endl; 
    }
};

int main() 
{
    Derived d;
    Base * pBase = & d;
    pBase->fun1();
    return 0;
}

是不是大家覺得 pBase 指標物件雖然指向的是派生類物件，但是派生類裡沒有 fun1 成員函式，則就呼叫基類的 fun1 成員函式，Base::fun1() 裡又會呼叫基類的 fun2 成員函式，所以輸出結果是Base::fun2() ？

假設我把上面的程式碼轉換一下， 大家還覺得輸出的是 Base::fun2() 嗎？

class Base 
{
public:
    void fun1() 
    { 
        this->fun2();  // this是基類指標，fun2是虛擬函式，所以是多型
    }
}

this 指標的作用就是指向成員函式所作用的物件， 所以非靜態成員函式中可以直接使用 this 來代表指向該函式作用的物件的指標。

pBase 指標物件指向的是派生類物件，派生類裡沒有 fun1 成員函式，所以就會呼叫基類的 fun1 成員函式，在Base::fun1() 成員函式體裡執行 this->fun2() 時，實際上指向的是派生類物件的 fun2 成員函式。

所以正確的輸出結果是：

Derived:fun2()

所以我們需要注意：

在非建構函式，非解構函式的成員函式中呼叫「虛擬函式」，是多型!!!

建構函式和解構函式中存在多型嗎？

在建構函式和解構函式中呼叫「虛擬函式」，不是多型。編譯時即可確定，呼叫的函式是自己的類或基類中定義的函式，不會等到執行時才決定呼叫自己的還是派生類的函式。

我們看如下的程式碼例子，來說明：

// 基類
class CFather 
{
public:
    virtual void hello() // 虛擬函式
    {
        cout<<"hello from father"<<endl; 
    }
    
    virtual void bye() // 虛擬函式
    {
        cout<<"bye from father"<<endl; 
    }
};

// 派生類
class CSon : public CFather
{ 
public:
    CSon() // 建構函式
    { 
        hello(); 
    }
    
    ~CSon()  // 解構函式
    { 
        bye();
    }

    virtual void hello() // 虛擬函式
    { 
        cout<<"hello from son"<<endl;
    }
};

int main()
{
    CSon son;
    CFather *pfather;
    pfather = & son;
    pfather->hello(); //多型
    return 0;
}

輸出結果：

hello from son  // 構造son物件時執行的建構函式
hello from son  // 多型
bye from father // son物件析構時，由於CSon類沒有bye成員函式，所以呼叫了基類的bye成員函式

---

多型的實現原理

「多型」的關鍵在於通過基類指標或引用呼叫一個虛擬函式時，編譯時不能確定到底呼叫的是基類還是派生類的函式，執行時才能確定。

我們用 sizeof 來運算有有虛擬函式的類和沒虛擬函式的類的大小，會是什麼結果呢？

class A 
{
public:
    int i;
    virtual void Print() { } // 虛擬函式
};

class B
{
public:
    int n;
    void Print() { } 
};

int main() 
{
    cout << sizeof(A) << ","<< sizeof(B);
    return 0;
}

在64位機子，執行的結果：

16,4

從上面的結果，可以發現有虛擬函式的類，多出了 8 個位元組，在 64 位機子上指標型別大小正好是 8 個位元組，這多出 8 個位元組的指標有什麼作用呢？

01 虛擬函式表

每一個有「虛擬函式」的類（或有虛擬函式的類的派生類）都有一個「虛擬函式表」，該類的任何物件中都放著虛擬函式表的指標。「虛擬函式表」中列出了該類的「虛擬函式」地址。

多出來的 8 個位元組就是用來放「虛擬函式表」的地址。

// 基類
class Base 
{
public:
    int i;
    virtual void Print() { } // 虛擬函式
};

// 派生類
class Derived : public Base
{
public:
    int n;
    virtual void Print() { } // 虛擬函式
};

上面 Derived 類繼承了 Base類，兩個類都有「虛擬函式」，那麼它「虛擬函式表」的形式可以理解成下圖：

多型的函式呼叫語句被編譯成一系列根據基類指標所指向的（或基類引用所引用的）物件中存放的虛擬函式表的地址，在虛擬函式表中查詢虛擬函式地址，並呼叫虛擬函式的指令。

02 證明虛擬函式表指標的作用

在上面我們用 sizeof 運算子計算了有虛擬函式的類的大小，發現是多出了 8 位元組大小（64位系統），這多出來的 8 個位元組就是指向「虛擬函式表的指標」。「虛擬函式表」中列出了該類的「虛擬函式」地址。

下面用程式碼的例子，來證明「虛擬函式表指標」的作用：

// 基類
class A 
{
public: 
    virtual void Func()  // 虛擬函式
    { 
        cout << "A::Func" << endl; 
    }
};

// 派生類
class B : public A 
{
public: 
    virtual void Func()  // 虛擬函式
    { 
        cout << "B::Func" << endl;
    }
};

int main() 
{
    A a;
    
    A * pa = new B();
    pa->Func(); // 多型
    
    // 64位程式指標為8位元組
    int * p1 = (int *) & a;
    int * p2 = (int *) pa;
    
    * p2 = * p1;
    pa->Func();
    
    return 0;
}

輸出結果：

B::Func
A::Func

• 第 25-26 行程式碼中的 pa 指標指向的是 B 類物件，所以 pa->Func() 呼叫的是 B 類物件的虛擬函式 Func()，輸出內容是 B::Func ；
• 第 29-30 行程式碼的目的是把 A 類的頭 8 個位元組的「虛擬函式表指標」存放到 p1 指標和把 B 類的頭 8 個位元組的「虛擬函式表指標」存放到 p2 指標；
• 第 32 行程式碼目的是把 A 類的「虛擬函式表指標」 賦值給 B 類的「虛擬函式表指標」，所以相當於把 B 類的「虛擬函式表指標」 替換 成了 A 類的「虛擬函式表指標」；
• 由於第 32 行的作用，把 B 類的「虛擬函式表指標」 替換 成了 A 類的「虛擬函式表指標」，所以第 33 行呼叫的是 A 類的虛擬函式 Func()，輸出內容是 A::Func

通過上述的程式碼和講解，可以有效的證明了「虛擬函式表的指標」的作用，「虛擬函式表的指標」指向的是「虛擬函式表」，「虛擬函式表」裡存放的是類裡的「虛擬函式」地址，那麼在呼叫過程中，就能實現多型的特性。

---

虛解構函式

解構函式是在刪除物件或退出程式的時候，自動呼叫的函式，其目的是做一些資源釋放。

那麼在多型的情景下，通過基類的指標刪除派生類物件時，通常情況下只調用基類的解構函式，這就會存在派生類物件的解構函式沒有呼叫到，存在資源洩露的情況。

看如下的例子：

// 基類
class A 
{
public: 
    A()  // 建構函式
    {
        cout << "construct A" << endl;
    }
    
    ~A() // 解構函式
    {
        cout << "Destructor A" << endl;
    }
};

// 派生類
class B : public A 
{
public: 
    B()  // 建構函式
    {
        cout << "construct B" << endl;
    }
    
    ~B()// 解構函式
    {
        cout << "Destructor B" << endl;
    }
};

int main() 
{
    A *pa = new B();
    delete pa;
    
    return 0;
}

輸出結果：

construct A
construct B
Destructor A

從上面的輸出結果可以看到，在刪除 pa指標物件時，B 類的解構函式沒有被呼叫。

解決辦法：把基類的解構函式宣告為virtual

• 派生類的解構函式可以 virtual 不進行宣告；
• 通過基類的指標刪除派生類物件時，首先呼叫派生類的解構函式，然後呼叫基類的解構函式，還是遵循「先構造，後虛構」的規則。

將上述的程式碼中的基類的解構函式，定義成「虛解構函式」：

// 基類
class A 
{
public: 
    A()  
    {
        cout << "construct A" << endl;
    }
    
    virtual ~A() // 虛解構函式
    {
        cout << "Destructor A" << endl;
    }
};

輸出結果：

construct A
construct B
Destructor B
Destructor A

所以要養成好習慣:

• 一個類如果定義了虛擬函式，則應該將解構函式也定義成虛擬函式;
• 或者，一個類打算作為基類使用，也應該將解構函式定義成虛擬函式。
• 注意：不允許建構函式不能定義成虛建構函式。

---

純虛擬函式和抽象類

純虛擬函式： 沒有函式體的虛擬函式

class A 
{

public:
    virtual void Print( ) = 0 ; //純虛擬函式
private: 
    int a;
};

包含純虛擬函式的類叫抽象類

• 抽象類只能作為基類來派生新類使用，不能建立抽象類的物件
• 抽象類的指標和引用可以指向由抽象類派生出來的類的物件

A a;         // 錯，A 是抽象類，不能建立物件
A * pa ;     // ok,可以定義抽象類的指標和引用
pa = new A ; // 錯誤, A 是抽象類，不能建立物件

---

推薦閱讀：

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C++ 一篇搞懂繼承的常見特性

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C++ 手把手教你實現可變長的陣列

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