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
链接:https://www.jianshu.com/p/d07e0ac0ba3c
来源:简书
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发布者

胡中元

《中原驿站》站长

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