一、多态与重载

1、多态的概念

面向对象的语言有三大特性:继承、封装、多态。虚函数作为多态的实现方式,重要性毋庸置疑。

多态意指相同的消息给予不同的对象会引发不同的动作(一个接口,多种方法)。其实更简单地来说,就是“在用父类指针调用函数时,实际调用的是指针指向的实际类型(子类)的成员函数”。多态性使得程序调用的函数是在运行时动态确定的,而不是在编译时静态确定的。

2、重载—编译期多态的体现

重载,是指在一个类中的同名不同参数的函数调用,这样的方法调用是在编译期间确定的。

3、虚函数—运行期多态的体现

运行期多态发生的三个条件:继承关系、虚函数重写、父类指针或引用指向子类对象。

4.重载和重写和覆盖的区别

重写和重载的区别是什么,主要就如下几点区别:
1、定义不同:重载是定义相同的方法名、参数不同,重写是子类重写父类的方法
2、范围不同:重载是在一个类中,重写是子类与父类之间的
3、多态不同:重载是编译时的多态性,重写是运行时的多态性
4、参数不同:重载的参数个数、参数类型、参数的顺序可以不同,重写父类子方法参数必须相同
5、修饰不同:重载对修饰范围没有要求,重写要求重写方法的修饰范围大于被重写方法的修饰范围

1.重载:同一个类内(同一个类的作用域内),函数名相同,形参不同(个数不同或者名称不同)

2.重写(覆盖):基类中定义一个函数,在派生类中定义一个相同的函数名、形参的数目/名称相同、返回值相同的函数,必须有virtual

3.重定义(隐藏):基类中定义一个函数,在派生类中定义一个相同的函数名,但形参或返回值不同,不构成重写基类的函数就是重定义(隐藏)
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二、虚函数实例

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在上述例子中,我们首先定义了一个基类base,基类有一个名为vir_func的虚函数,和一个名为func的普通成员函数。而类A,B都是由类base派生的子类,并且都对成员函数进行了重写跟覆盖。然后我们定义三个base类型的指针Base、a、b分别指向类base、A、B。可以看到,当使用这三个指针调用func函数时,调用的都是基类base的函数。而使用这三个指针调用虚函数vir_func时,调用的是指针指向的实际类型的函数。最后,我们将指针b做强制类型转换,转换为A类型指针,然后分别调用func和vir_func函数,发现普通函数调用的是类A的函数,而虚函数调用的是类B的函数。

以上,我们可以得出结论当使用类的指针调用成员函数时,普通函数由指针类型决定(覆盖的跟指针类型一致),而虚函数由指针指向的实际类型决定(重写的跟实际指向的类型一致)。

虚函数的实现过程:通过对象内存中的vptr找到虚函数表vtbl,接着通过vtbl找到对应虚函数的实现区域并进行调用。

三、虚函数的实现(内存布局)

虚函数表中只存有一个虚函数的指针地址,不存放普通函数或是构造函数的指针地址。只要有虚函数,C++类都会存在这样的一张虚函数表,不管是普通虚函数亦或是纯虚函数,亦或是派生类中隐式声明的这些虚函数都会生成这张虚函数表。

虚函数表创建的时间:在一个类构造的时候,创建这张虚函数表,而这个虚函数表是供整个类所共有的。虚函数表存储在对象最开始的位置。虚函数表其实就是函数指针的地址。函数调用的时候,通过函数指针所指向的函数来调用函数。

1、无继承情况

#include <iostream>
using namespace std;
 
class Base
{
public:
    Base(){cout<<"Base construct"<<endl;}
    virtual void f() {cout<<"Base::f()"<<endl;}
    virtual void g() {cout<<"Base::g()"<<endl;}
    virtual void h() {cout<<"Base::h()"<<endl;}
    virtual ~Base(){}
};
 
int main()
{
    typedef void (*Fun)();  //定义一个函数指针类型变量类型 Fun
    Base *b = new Base();
    //虚函数表存储在对象最开始的位置
    //将对象的首地址输出
    cout<<"首地址:"<<*(int*)(&b)<<endl;
 
    Fun funf = (Fun)(*(int*)*(int*)b);
    Fun fung = (Fun)(*((int*)*(int*)b+1));//地址内的值 即为函数指针的地址,将函数指针的地址存储在了虚函数表中了
    Fun funh = (Fun)(*((int *)*(int *)b+2));
 
    funf();
    fung();
    funh();
 
    cout<<(Fun)(*((int*)*(int*)b+4))<<endl; //最后一个位置为0 表明虚函数表结束 +4是因为定义了一个 虚析构函数
 
    delete b;
    return 0;
}

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2、单继承情况(无虚函数覆盖)

假设有如下所示的一个继承关系:
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请注意,在这个继承关系中,子类没有重载任何父类的函数。那么,在派生类的实例中,其虚函数表如下所示:
在这里插入图片描述

【Note】:

虚函数按照其声明顺序放于表中。
父类的虚函数在子类的虚函数前面。

3、单继承情况(有虚函数覆盖)

覆盖父类的虚函数是很显然的事情,不然,虚函数就变得毫无意义。下面,我们来看一下,如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数,会是一个什么样子?假设,我们有下面这样的一个继承关系。
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为了让大家看到被继承过后的效果,在这个类的设计中,我只覆盖了父类的一个函数:f()。那么,对于派生类的实例,其虚函数表会是下面的一个样子:
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【Note】:

覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。
没有被覆盖的函数依旧在原来的位置。

这样,我们就可以看到对于下面这样的程序,

Base *b = new Derive();
b->f();

由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代,于是在实际调用发生时,是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。

4、多重继承情况(无虚函数覆盖)

下面,再让我们来看看多重继承中的情况,假设有下面这样一个类的继承关系。注意:子类并没有覆盖父类的函数。
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对于子类实例中的虚函数表,是下面这个样子:

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【Note】:

每个父类都有自己的虚表(有几个基类就有几个虚函数表)。
子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。(所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的)。

5、多重继承情况(有虚函数覆盖)

下面我们再来看看,如果发生虚函数覆盖的情况。下图中,我们在子类中覆盖了父类的f()函数。
在这里插入图片描述

下面是对于子类实例中的虚函数表的图:
在这里插入图片描述

**我们可以看见,三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样,我们就可以任一静态类型的父类来指向子类,并调用子类的f()了。**如:

Derive d;
Base1 *b1 = &d;
Base2 *b2 = &d;
Base3 *b3 = &d;
b1->f(); //Derive::f()
b2->f(); //Derive::f()
b3->f(); //Derive::f()
b1->g(); //Base1::g()
b2->g(); //Base2::g()
b3->g(); //Base3::g()

四、虚函数的相关问题

C++的虚函数主要作用是“运行时多态”,父类中提供虚函数的实现,为子类提供默认的函数实现。
子类可以重写父类的虚函数实现子类的特殊化。

1、构造函数为什么不能定义为虚函数

构造函数不能是虚函数。

首先,我们已经知道虚函数的实现则是通过对象内存中的vptr来实现的。而构造函数是用来实例化一个对象的,通俗来讲就是为对象内存中的值做初始化操作。那么在构造函数完成之前,vptr是没有值的,也就无法通过vptr找到作为虚函数的构造函数所在的代码区。

2、析构函数为什么要定义为虚函数?

析构函数可以是虚函数且推荐最好设置为虚函数。

class B
{
public:
    B() { printf("B()\n"); }
    virtual ~B() { printf("~B()\n"); }
private:
    int m_b;
};
 
class D : public B
{
public:
    D() { printf("D()\n"); }
    ~D() { printf("~D()\n"); }
private:
    int m_d;
};
 
int main()
{
    B* pB = new D();
    delete pB;
    return 0;
}

在这里插入图片描述
如果~B没有virtual,则下面结果
在这里插入图片描述

C++中有这样的约束:执行子类构造函数之前一定会执行父类的构造函数;同理,执行子类的析构函数后,一定会执行父类的析构函数,这也是为什么我们一直建议类的析构函数写成虚函数的原因。
  如果基类析构函数设置为虚函数,则父类指针实际指向的是子类的析构函数,执行子类的析构函数必然会执行父类析构函数,这样父类跟子类资源都得到释放。

3、如何去验证虚函数表的存在

typedef void(*Fun)(void);
// 取类的一个实例
Base b;
Fun pFun = NULL;
// 把&b转成int ,取得虚函数表的地址
cout << "虚函数表地址:" << (int*)(&b) << endl;
// 再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了
cout << "虚函数表 — 第一个函数地址:" << (int*)*(int*)(&b) << endl;
pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
pFun();

五、虚函数和纯虚函数的区别

1、纯虚函数只有定义,没有实现;而虚函数既有定义,也有实现的代码。
2、包含纯虚函数的类不能定义其对象,而包含虚函数的则可以。

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