C++学习笔记——虚函数

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基本概念

虚函数是在某基类中声明为 virtual 并在一个或多个派生类中被重新定义的成员函数，用法格式为：

virtual 函数返回类型 函数名（参数表） {函数体}；

C++中用它来实现多态性，通过指向派生类的基类指针或引用，访问派生类中同名覆盖成员函数。

虚函数实现机制

虚函数是如何做到因对象的不同而调用其相应的函数的呢？

现在我们就来剖析虚函数。我们先定义两个类

class A{//虚函数示例代码
public:
virtual voidfun(){cout<<1<<endl;}
virtual voidfun2(){cout<<2<<endl;}
};

class B : public A{
public:
void fun(){cout<<3<<endl;}
void fun2(){cout<<4<<endl;}
};

由于这两个类中有虚函数存在，所以编译器就会为他们两个分别插入一段你不知道的数据，并为他们分别创建一个表。那段数据叫做vptr指针，指向那个表。那个表叫做vtbl。

每个类都有自己的vtbl，vtbl的作用就是保存自己类中虚函数的地址，我们可以把vtbl形象地看成一个数组，这个数组的每个元素存放的就是虚函数的地址，请看图

通过左图，可以看到这两个vtbl分别为class A和class B服务。现在有了这个模型之后，我们来分析下面的代码

A *p=new A;

p->fun();

毫无疑问，调用了A::fun（），但是A::fun（）是如何被调用的呢？它像普通函数那样直接跳转到函数的代码处吗？

No，其实是这样的，首先是取出vptr的值，这个值就是vtbl的地址，再根据这个值来到vtbl这里，由于调用的函数A::fun（）是第一个虚函数，所以取出vtbl第一个slot里的值，这个值就是A::fun（）的地址了，最后调用这个函数。现在我们可以看出来了，只要vptr不同，指向的vtbl就不同，而不同的vtbl里装着对应类的虚函数地址，所以这样虚函数就可以完成它的任务。

而对于class A和class B来说，他们的vptr指针存放在何处呢？其实这个指针就放在他们各自的实例对象里。由于class A和class B都没有数据成员，所以他们的实例对象里就只有一个vptr指针。通过上面的分析，现在我们来实作一段代码，来描述这个带有虚函数的类的简单模型。

#include<iostream>
using namespace std;
//将上面“虚函数示例代码”添加在这里
int main(){
void(*fun)(A*);
A *p=new B;
long lVptrAddr;
memcpy(&lVptrAddr,p,4);
memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4);
fun(p);
delete p;
system("pause");
return 0;
}

用VC或Dev-C++编译运行一下，看看结果：输出3。

现在一步一步开始分析：

void (*fun)(A*); 这段定义了一个函数指针名字叫做fun，而且有一个A*类型的参数，这个函数指针待会儿用来保存从vtbl里取出的函数地址；

A* p=new B; new B是向内存（内存分5个区：全局名字空间，自由存储区，寄存器，代码空间，栈）自由存储区申请一个内存单元的地址然后隐式地保存在一个指针中，然后把这个地址赋值给A类型的指针P；

long lVptrAddr; 这个long类型的变量待会儿用来保存vptr的值；

memcpy(&lVptrAddr,p,4); 前面说了，他们的实例对象里只有vptr指针，所以我们就放心大胆地把p所指的4bytes内存里的东西复制到lVptrAddr中，所以复制出来的4bytes内容就是vptr的值，即vtbl的地址；

现在有了vtbl的地址了，那么我们现在就取出vtbl第一个slot里的内容；

memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4); 取出vtbl第一个slot里的内容，并存放在函数指针fun里。

需要注意的是lVptrAddr里面是vtbl的地址，但lVptrAddr不是指针，所以我们要把它先转变成指针类型fun(p); 这里就调用了刚才取出的函数地址里的函数，也就是调用了B::fun（）这个函数，也许你发现了为什么会有参数p，其实类成员函数调用时，会有个this指针，这个p就是那个this指针，只是在一般的调用中编译器自动帮你处理了而已，而在这里则需要自己处理。

delete p; 释放由p指向的自由空间；

system("pause"); 屏幕暂停；

如果调用B::fun2（）怎么办？那就取出vtbl的第二个slot里的值就行了

memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr+4),4); 为什么是加4呢？因为一个指针的长度是4bytes，所以加4。或者memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr)+1,4); 这更符合数组的用法，因为lVptrAddr被转成了long*型别，所以+1就是往后移sizeof(long）的长度

定义虚函数的限制

（1）非类的成员函数不能定义为虚函数，类的成员函数中静态成员函数和构造函数也不能定义为虚函数，但可以将析构函数定义为虚函数。实际上，优秀的程序员常常把基类的析构函数定义为虚函数。因为，将基类的析构函数定义为虚函数后，当利用delete删除一个指向派生类定义的对象指针时，系统会调用相应的类的析构函数。而不将析构函数定义为虚函数时，只调用基类的析构函数。

（2）只需要在声明函数的类体中使用关键字“virtual”将函数声明为虚函数，而定义函数时不需要使用关键字“virtual”。

（3）当将基类中的某一成员函数声明为虚函数后，派生类中的同名函数自动成为虚函数。

（4）如果声明了某个成员函数为虚函数，则在该类中不能出现和这个成员函数同名并且返回值、参数个数、类型都相同的非虚函数。在以该类为基类的派生类中，也不能出现这种同名函数。

虚函数和继承

虚函数联系到多态，多态联系到继承。

继承有以下三种方式：

注：无论何种继承方式，基类的private成员都不能被派生类访问。

从上面的表中可以看出：

声明为public的方法和属性可以被随意访问；

声明为protected的方法和属性只能被类本身和其子类访问；

而声明为private的方法和属性只能被当前类的对象访问。

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