探討 C++ 虛函數(shù) virtual

有無(wú)虛函數(shù)的對(duì)比

C++ 中的虛函數(shù)用于解決動(dòng)態(tài)多態(tài)問(wèn)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(guò)基類指針或引用來(lái)訪問(wèn)基類和派生類中的同名函數(shù)。

首先寫(xiě)兩個(gè)簡(jiǎn)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(gè) B 類對(duì)象 b；
  A &a = b;	//a 是 b 的一個(gè) A 類引用；
  A *pa = &b; //pa 是一個(gè)指向 A 類對(duì)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(gè)同名函數(shù) print ，但兩個(gè)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(duì)象。

另外一點(diǎn)，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(gè)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(gè)指針是個(gè)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

因?yàn)?a 是 A 類的一個(gè)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(duì)象，調(diào)用的 print( ) 為 B 類的成員函數(shù)。簡(jiǎn)言之就是，沒(méi)有 virtual 時(shí)，調(diào)用哪一類的成員函數(shù)取決于調(diào)用對(duì)象 a ，pa，b 在定義時(shí)的類型。而此時(shí)，若 B 類對(duì)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(gè)同名函數(shù)在對(duì)象定義時(shí)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(gè) print 函數(shù)在不同的對(duì)象中有不同的作用，這就呈現(xiàn)了多態(tài)。

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

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

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

這是因?yàn)?virtual 跟著對(duì)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(duì)象 b 屬于哪一類，而不再是取決于 a，pa 本身在定義時(shí)的類型了。

這種用基類指針或引用指向某一派生類對(duì)象，從而能夠調(diào)用指針指向的派生類對(duì)象中的函數(shù)的多態(tài)，我們稱為動(dòng)態(tài)多態(tài)，virtual 正是實(shí)現(xiàn)動(dòng)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

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(méi)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(gè)字節(jié)內(nèi)存，而 A 大小也是 8 字節(jié)，是巧合嗎？事實(shí)上，在包含虛函數(shù)的類中，在該類的存儲(chǔ)空間中，會(huì)有一個(gè)指向虛函數(shù)表的指針，正是這個(gè)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(gè)虛函數(shù) print( ) ，所以虛函數(shù)表中也只有一個(gè)虛函數(shù)名 print，通過(guò)這個(gè)虛函數(shù)名，再找到整個(gè)虛函數(shù) print( ) 在內(nèi)存中的存儲(chǔ)位置 ( B 同理 ) 。

驗(yàn)證虛函數(shù)表的存在性

虛函數(shù)表看不見(jiàn)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(duì)象 a 的內(nèi)存空間中的第一個(gè)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(gè)函數(shù)名；
  return 0;
}

從結(jié)果中我們可以發(fā)現(xiàn)，((func**)(&a))[0][0](); 等效于 a.print();，即確實(shí)證明了對(duì)象 a 的內(nèi)存空間中存有一個(gè)指向虛函數(shù)表的指針，虛函數(shù)表的第一個(gè)函數(shù)名正是 print 。

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