深入解析C++中的虛函數(shù)與多態(tài)

更新時間：2013年09月24日 10:00:38 作者：

對C++ 了解的人都應(yīng)該知道虛函數(shù)（Virtual Function）是通過一張?zhí)摵瘮?shù)表（Virtual Table）和一個指向虛函數(shù)表的指針（vptr）來實現(xiàn)的

1.C++中的虛函數(shù)
C++中的虛函數(shù)的作用主要是實現(xiàn)了多態(tài)的機制。關(guān)于多態(tài)，簡而言之就是用父類型別的指針指向其子類的實例，然后通過父類的指針調(diào)用實際子類的成員函數(shù)。這種技術(shù)可以讓父類的指針有“多種形態(tài)”，這是一種泛型技術(shù)。所謂泛型技術(shù)，說白了就是試圖使用不變的代碼來實現(xiàn)可變的算法。比如：模板技術(shù)，RTTI技術(shù)，虛函數(shù)技術(shù)，要么是試圖做到在編譯時決議，要么試圖做到運行時決議。

對C++ 了解的人都應(yīng)該知道虛函數(shù)（Virtual Function）是通過一張?zhí)摵瘮?shù)表（Virtual Table）和一個指向虛函數(shù)表的指針（vptr）來實現(xiàn)的。虛函數(shù)表，簡稱為vtbl，虛函數(shù)表表對實現(xiàn)多態(tài)起著至關(guān)重要的作用。在這個表中，主要保存了一個類中的虛函數(shù)的地址，這張表解決了繼承、覆蓋的問題，保證其內(nèi)容能真實反應(yīng)實際的函數(shù)。每一個包含虛函數(shù)的類的實例都包含一個cptr指針，指向虛函數(shù)表的首地址。我們可以通過這個指針找到要訪問的虛函數(shù)的，完成虛函數(shù)的調(diào)用主要包括：找到虛函數(shù)表的首地址（vptr），通過cptr找到要使用虛函數(shù)地址，調(diào)用虛函數(shù)。那么使用虛函數(shù)大家總要考慮效率的問題，實際上為了提高效率，C++的編譯器是保證虛函數(shù)表的指針存在于對象實例中最前面的位置，這是為了保證取到虛函數(shù)表的有最高的性能，這意味著我們通過對象實例的地址得到這張?zhí)摵瘮?shù)表，然后通過遍歷表就可以找到其中的虛函數(shù)的地址，然后調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。不妨看看下面的代碼：

復(fù)制代碼代碼如下:

#include <iostream>

using namespace std;

class Base
{
public:
    virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }
    virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }
    virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }
};

typedef void(*Fun)(void);

int main()
{
    Base b;
    Fun pFun = NULL;
    cout << "虛函數(shù)表地址：" << (int*)(&b) << endl;
    cout << "虛函數(shù)表 — 第一個函數(shù)地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;
    pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
    pFun();
    return 0;
}

通過這個示例，可以看到，通過強行把&b轉(zhuǎn)成int *，取得虛函數(shù)表的地址（vptr），然后，再次取址就可以得到第一個虛函數(shù)的地址了，也就是Base::f()，這在上面的程序中得到了驗證（把int* 強制轉(zhuǎn)成了函數(shù)指針）。通過這個示例，我們就可以知道如果要調(diào)用Base::g()和Base::h()，其代碼如下：

復(fù)制代碼代碼如下:

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::f()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base::g()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h()

可以看看虛函數(shù)表的圖是怎么畫的：

大家都知道，多態(tài)是通過繼承實現(xiàn)的，那么我們要說說虛函數(shù)繼承的問題。繼承就涉及到了虛函數(shù)的覆蓋了，實際上不被覆蓋的虛函數(shù)和多態(tài)又有什么聯(lián)系呢？這里我們討論有覆蓋的虛函數(shù)表是什么樣的，假設(shè)存在下面的繼承關(guān)系：

看看虛函數(shù)表示什么樣的：

可以發(fā)現(xiàn)，Base：：f（）被覆蓋了，這樣若把Derive的實例賦值給一個基類Base指針pBase，通過pBase->f()；則訪問的是子類中的f（）也就是完成了多態(tài)。那么虛函數(shù)表中的內(nèi)容到底是怎么樣的呢？可以看看下面的四句話就會明白！

1.虛函數(shù)按照其聲明順序放于表中。

2.父類的虛函數(shù)在子類的虛函數(shù)前面。

3.覆蓋的f()函數(shù)被放到了虛表中原來父類虛函數(shù)的位置。

4.沒有被覆蓋的函數(shù)依舊。

2.用虛函數(shù)實現(xiàn)多態(tài)
看看下面的多態(tài)的代碼：

復(fù)制代碼代碼如下:

#include <iostream>

using namespace std;

class Base
{
public:
    virtual void Print()
    {
        cout<<"Base::Print()"<<endl;
    }
};
class Derive : public Base
{
public:
    virtual void Print()
    {
        cout<<"Derive::Print()"<<endl;
    }
};
int main()
{
    Derive derive;
    Base *pBase = &derive;
    pBase->Print();
    return 0;
}
//多態(tài)代碼

實現(xiàn)虛函數(shù)的代碼，一定要切記：一定是基類的指針指向子類的對象的地址。首先試著理解一下用虛函數(shù)實現(xiàn)多態(tài)的原理，如果實在沒理解為什么虛函數(shù)能實現(xiàn)多態(tài)，又為什么這樣實現(xiàn)多態(tài)，上網(wǎng)再搜一搜相關(guān)的資料?。?！

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