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探討 C++ 虛函數(shù) virtual

有無虛函數(shù)的對比

C++ 中的虛函數(shù)用于解決動態(tài)多態(tài)問題，虛函數(shù)的作用是允許在派生類中重新定義與積累同名的函數(shù)，并且可以通過基類指針或引用來訪問基類和派生類中的同名函數(shù)。

首先寫兩個簡單的類，類 B 繼承自類 A，即 A 是基類，B 是派生類。

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

class B : public A {
public:
  void print(){
    cout << "B" << endl;
  }
};

int main()
{
  B b;		//創(chuàng)建一個 B 類對象 b；
  A &a = b;	//a 是 b 的一個 A 類引用；
  A *pa = &b; //pa 是一個指向 A 類對象的指針；
  a.print();
  pa->print();
  b.print();
  return 0;
}

程序中，A 類和 B 類均定義了一個同名函數(shù) print ，但兩個函數(shù)的功能不同，編譯系統(tǒng)按照同名覆蓋原則決定調(diào)用對象。

另外一點，引用的本質(zhì)是指針常量，可以認(rèn)為 a，pa 都指向了 b。（注意區(qū)分常量指針與指針常量，常量指針可以類比于整型指針，即指向一個常量的指針，指針的指向可以修改；指針常量類比于整型常量，即一個指針是個常量，也就是指針只能固定的指向某一單元，指針常量的指向不可改而指向的值可以修改。)

int a, b；
int * const p1 = &a; //指針常量
const int *p2 = &b; //常量指針

執(zhí)行函數(shù)后，我們發(fā)現(xiàn)結(jié)果為

一文讀懂C++ 虛函數(shù) virtual

因為 a 是 A 類的一個引用，所以 a 的 print( ) 依舊是 A 類的成員函數(shù)；pa 是 A 類的指針，同理；而 b 是 B 類的對象，調(diào)用的 print( ) 為 B 類的成員函數(shù)。簡言之就是，沒有 virtual 時，調(diào)用哪一類的成員函數(shù)取決于調(diào)用對象 a ，pa，b 在定義時的類型。而此時，若 B 類對象 b 想調(diào)用直接基類 A 的 print 函數(shù)，則應(yīng)當(dāng) b.A::print( )。

這種 a，pa，b 能調(diào)用哪個同名函數(shù)在對象定義時已經(jīng)確定好了的多態(tài)，我們稱之為靜態(tài)多態(tài)。什么是多態(tài)？同一個 print 函數(shù)在不同的對象中有不同的作用，這就呈現(xiàn)了多態(tài)。

這里再提一點，原本基類指針是用來指向基類對象的，如果用它指向派生類對象，此時基類指針指向的是派生類對象中的基類部分。在沒有虛函數(shù)時，基類指針是無法調(diào)用派生類對象中的成員函數(shù)的。

而當(dāng)我們在 A 類中 print( ) 前加上關(guān)鍵字 virtual，變成虛函數(shù)時

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

class B : public A{
public:
  void print(){
    cout << "B" << endl;
  }
};

再次執(zhí)行主函數(shù)，結(jié)果為

一文讀懂C++ 虛函數(shù) virtual

這是因為 virtual 跟著對象走，即調(diào)用的 print( ) 究竟是 A 類還是 B 類的成員函數(shù)取決于“ 調(diào)用者 ” a，pa 所指的對象 b 屬于哪一類，而不再是取決于 a，pa 本身在定義時的類型了。

這種用基類指針或引用指向某一派生類對象，從而能夠調(diào)用指針指向的派生類對象中的函數(shù)的多態(tài)，我們稱為動態(tài)多態(tài)，virtual 正是實現(xiàn)動態(tài)多態(tài)的關(guān)鍵字。

虛函數(shù)表

接著剛才的話題，在 A 類中有虛函數(shù)的前提下，我們繼續(xù)討論

class C{
public:
  void print(){
    cout << "C" << endl;
  }
};

int main()
{
  cout << "sizeof(A): " << sizeof(A) << endl;
  cout << "sizeof(B): " << sizeof(B) << endl;
  cout << "sizeof(C): " << sizeof(C) << endl;
  A a;
  B b;
  C c;
  cout << "sizeof(a): " << sizeof(a) << endl;
  cout << "sizeof(b): " << sizeof(b) << endl;
  cout << "sizeof(c): " << sizeof(c) << endl;
  return 0;
}

執(zhí)行結(jié)果為

一文讀懂C++ 虛函數(shù) virtual

為什么有虛函數(shù)的 A 類大小為 8 字節(jié)，繼承 A 的 B 為 8 字節(jié)，而沒有虛函數(shù)的 C 類是 1 字節(jié)呢？聯(lián)想到 64 位操作系統(tǒng)下指針占8個字節(jié)內(nèi)存，而 A 大小也是 8 字節(jié)，是巧合嗎？事實上，在包含虛函數(shù)的類中，在該類的存儲空間中，會有一個指向虛函數(shù)表的指針，正是這個指針使 A 的大小變?yōu)?8 字節(jié)。而指針?biāo)傅奶摵瘮?shù)表本質(zhì)上是 A 類中定義的所有虛函數(shù)名構(gòu)成的列表。A 中只定義了一個虛函數(shù) print( ) ，所以虛函數(shù)表中也只有一個虛函數(shù)名 print，通過這個虛函數(shù)名，再找到整個虛函數(shù) print( ) 在內(nèi)存中的存儲位置 ( B 同理 ) 。

驗證虛函數(shù)表的存在性

虛函數(shù)表看不見摸不著，怎么確定它的存在呢？

int main()
{
  A a;
  B b;
  a.print();
  b.print();
  cout << "-------------------" << endl;
  typedef void (*func)();		//利用函數(shù)指針 func；
  ((func**)(&a))[0][0]();		//((func**)(&a))[0] 代表對象 a 的內(nèi)存空間中的第一個元素：指向虛函數(shù)表的指針；
  ((func**)(&b))[0][0](); 	//((func**)(&a))[0][0] 表示虛函數(shù)表中第一個函數(shù)名；
  return 0;
}

一文讀懂C++ 虛函數(shù) virtual