C++ 虚函数

1. 简单介绍

C++虚函数是定义在基类中的函数，子类必须对其进行覆盖。在类中声明（无函数体的形式叫做声明）虚函数的格式如下：

virtual void display();

2. 虚函数的作用

虚函数有两大作用：

（1）定义子类对象，并调用对象中未被子类覆盖的基类函数A。同时在该函数A中，又调用了已被子类覆盖的基类函数B。那此时将会调用基类中的函数B，可我们本应该调用的是子类中的覆盖函数B。虚函数即能解决这个问题。

以下是没有使用虚函数的例子：

#include<iostream>

using namespace std;

// 基类 Father
class Father {
public:
    void display() {
        cout<<"Father::display()\n";
    }
    // 在函数中调用了，子类覆盖基类的函数display()
    void fatherShowDisplay() {
        display();
    }
};

// 子类Son
class Son:public Father {
public:
    // 重写基类中的display()函数
    void display() {
        cout<<"Son::display()\n";
    }
};

int main() {
    Son son;                    // 子类对象
    son.fatherShowDisplay();    // 通过基类中未被覆盖的函数，想调用子类中覆盖的display函数
}

该例子的运行结果是： Father::display()

以下是使用虚函数的例子：

#include<iostream>

using namespace std;

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

    // 在函数中调用了，子类覆盖基类的函数display()
    void fatherShowDisplay() {
        display();
    }
};

// 子类Son
class Son:public Father {
public:
    // 重写基类中的display()函数
    void display() {
        cout<<"Son::display()\n";
    }
};

int main() {
    Son son;                    // 子类对象
    son.fatherShowDisplay();    // 通过基类中未被覆盖的函数，想调用子类中覆盖的display函数
}

该例子的运行结果是： Son::display()

（2）在使用指向子类对象的基类指针，并调用子类中的覆盖函数时，如果该函数不是虚函数，那么将调用基类中的该函数；如果该函数是虚函数，则会调用子类中的该函数。

以下是没有使用虚函数的例子：

#include<iostream>

using namespace std;

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

// 子类Son
class Son:public Father {
public:
    // 覆盖基类中的display函数
    void display() {
        cout<<"Son::display()\n";
    }
};

int main() {
    Father *fp;     // 定义基类指针
    Son son;        // 子类对象
    fp=&son;        // 使基类指针指向子类对象
    fp->display();  // 通过基类指针想调用子类中覆盖的display函数
}

该例子的运行结果是： Father::display()
结果说明，通过指向子类对象的基类指针调用子类中的覆盖函数是不能实现的，因此虚函数应运而生。

以下是使用虚函数的例子：

#include<iostream>

using namespace std;

// 基类 Father
class Father {
public:
    // 定义了虚函数
    void virtual display() {
        cout<<"Father::display()\n";
    }
};

// 子类Son
class Son:public Father {
public:
    // 覆盖基类中的display函数
    void display() {
        cout<<"Son::display()\n";
    }
};

int main() {
    Father *fp;     // 定义基类指针
    Son son;        // 子类对象
    fp=&son;        // 使基类指针指向子类对象
    fp->display();  // 通过基类指针想调用子类中覆盖的display函数
}

该例子的运行结果是： Son::display()

3. 虚函数的实际意义

或许，很多小伙伴都会有这样一个疑问：如果想调用子类中的覆盖函数，直接通过子类对象，或者指向子类对象的子类指针来调用，不就没这个烦恼了吗？要虚函数还有什么用呢？

其实不然，虚函数的实际意义非常之大。比如在实际开发过程中，会用到别人封装好的框架和类库，我们可以通过继承其中的类，并覆盖基类中的函数，来实现自定义的功能。

但是，有些函数是需要框架来调用，并且API需要传入基类指针类型的参数。而使用虚函数就可以，将指向子类对象的基类指针来作为参数传入API，让API能够通过基类指针，来调用我们自定义的子类函数。这就是多态性的真正体现。

4. 浅谈虚函数的原理

参考：C++中的虚函数(表)实现机制以及用C语言对其进行的模拟实现

虚函数的本质是一个简单的虚函数表。

当一个类存在虚函数时，通过该类创建的对象实例，会在内存空间的前4字节保存一个指向虚函数表的指针__vfptr。

__vfptr指向的虚函数表，是类独有的，而且被该类的所有对象共享。虚函数表的实质，是一个虚函数地址的数组，它包含了类中每个虚函数的地址，既有当前类定义的虚函数，也有覆盖父类的虚函数，也有继承而来的虚函数。

当子类覆盖了父类的虚函数时，子类虚函数表将包含子类虚函数的地址，而不会有父类虚函数的地址。

同时，当用基类指针指向子类对象时，基类指针指向的内存空间中的__vfptr依旧指向了子类的虚函数表。所以，基类指针依旧会调用子类的虚函数。

见如下示例：

4.1. 自己定义了虚函数的类

class Base1 {
public:
    int base1_1;
    int base1_2;

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

定义两个对象：

Base1 b1;
Base1 b2;

两个对象的内存空间分配如下：

4.2. 既包含覆盖虚函数，又包含继承虚函数的类

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;

    // 覆盖基类函数
    virtual void base1_fun1() {}
};

定义一个子类对象：

Derive1 d1;

其内存空间如下：

由图可以看出：

Base1 *b_p = &d1;     // 指向子类对象的基类指针
b_p->base1_fun1();    // 调用子类虚函数

作者：dounine
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来源：简书
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