一文读懂C++ 虚函数 virtual

Tertia ·

更新时间:2024-11-13

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探讨 C++ 虚函数 virtual 有无虚函数的对比

C++ 中的虚函数用于解决动态多态问题，虚函数的作用是允许在派生类中重新定义与积累同名的函数，并且可以通过基类指针或引用来访问基类和派生类中的同名函数。

首先写两个简单的类，类 B 继承自类 A，即 A 是基类，B 是派生类。


class A{
public:
  void print(){
    cout << "A" << endl;
  }
};
class B : public A {
public:
  void print(){
    cout << "B" << endl;
  }
};
int main()
{
  B b;//创建一个 B 类对象 b；
  A &a = b;//a 是 b 的一个 A 类引用；
  A *pa = &b; //pa 是一个指向 A 类对象的指针；
  a.print();
  pa->print();
  b.print();
  return 0;
}

程序中，A 类和 B 类均定义了一个同名函数 print ，但两个函数的功能不同，编译系统按照同名覆盖原则决定调用对象。

另外一点，引用的本质是指针常量，可以认为 a，pa 都指向了 b。（注意区分常量指针与指针常量，常量指针可以类比于整型指针，即指向一个常量的指针，指针的指向可以修改；指针常量类比于整型常量，即一个指针是个常量，也就是指针只能固定的指向某一单元，指针常量的指向不可改而指向的值可以修改。)


int a, b；
int * const p1 = &a; //指针常量
const int *p2 = &b; //常量指针

执行函数后，我们发现结果为

因为 a 是 A 类的一个引用，所以 a 的 print( ) 依旧是 A 类的成员函数；pa 是 A 类的指针，同理；而 b 是 B 类的对象，调用的 print( ) 为 B 类的成员函数。简言之就是，没有 virtual 时，调用哪一类的成员函数取决于调用对象 a ，pa，b 在定义时的类型。而此时，若 B 类对象 b 想调用直接基类 A 的 print 函数，则应当 b.A::print( )。

这种 a，pa，b 能调用哪个同名函数在对象定义时已经确定好了的多态，我们称之为静态多态。什么是多态？同一个 print 函数在不同的对象中有不同的作用，这就呈现了多态。

这里再提一点，原本基类指针是用来指向基类对象的，如果用它指向派生类对象，此时基类指针指向的是派生类对象中的基类部分。在没有虚函数时，基类指针是无法调用派生类对象中的成员函数的。

而当我们在 A 类中 print( ) 前加上关键字 virtual，变成虚函数时


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

再次执行主函数，结果为

这是因为 virtual 跟着对象走，即调用的 print( ) 究竟是 A 类还是 B 类的成员函数取决于“ 调用者 ” a，pa 所指的对象 b 属于哪一类，而不再是取决于 a，pa 本身在定义时的类型了。

这种用基类指针或引用指向某一派生类对象，从而能够调用指针指向的派生类对象中的函数的多态，我们称为动态多态，virtual 正是实现动态多态的关键字。

虚函数表

接着刚才的话题，在 A 类中有虚函数的前提下，我们继续讨论


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;
}

执行结果为

为什么有虚函数的 A 类大小为 8 字节，继承 A 的 B 为 8 字节，而没有虚函数的 C 类是 1 字节呢？联想到 64 位操作系统下指针占8个字节内存，而 A 大小也是 8 字节，是巧合吗？事实上，在包含虚函数的类中，在该类的存储空间中，会有一个指向虚函数表的指针，正是这个指针使 A 的大小变为 8 字节。而指针所指的虚函数表本质上是 A 类中定义的所有虚函数名构成的列表。A 中只定义了一个虚函数 print( ) ，所以虚函数表中也只有一个虚函数名 print，通过这个虚函数名，再找到整个虚函数 print( ) 在内存中的存储位置 ( B 同理 ) 。

验证虚函数表的存在性

虚函数表看不见摸不着，怎么确定它的存在呢？


int main()
{
  A a;
  B b;
  a.print();
  b.print();
  cout << "-------------------" << endl;
  typedef void (*func)();//利用函数指针 func；
  ((func**)(&a))[0][0]();//((func**)(&a))[0] 代表对象 a 的内存空间中的第一个元素：指向虚函数表的指针；
  ((func**)(&b))[0][0](); //((func**)(&a))[0][0] 表示虚函数表中第一个函数名；
  return 0;
}