一文讀懂C++ 虛函數 virtual

探討 C++ 虛函數 virtual

有無虛函數的對比

C++ 中的虛函數用於解決動態多態問題,虛函數的作用是允許在派生類中重新定義與積累同名的函數,並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。

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 類均定義瞭一個同名函數 print ,但兩個函數的功能不同,編譯系統按照同名覆蓋原則決定調用對象。

另外一點,引用的本質是指針常量,可以認為 a,pa 都指向瞭 b。( 註意區分常量指針指針常量,常量指針可以類比於整型指針,即指向一個常量的指針,指針的指向可以修改;指針常量類比於整型常量,即一個指針是個常量,也就是指針隻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

執行函數後,我們發現結果為

在這裡插入圖片描述

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;pa 是 A 類的指針,同理;而 b 是 B 類的對象,調用的 print( ) 為 B 類的成員函數。簡言之就是,沒有 virtual 時,調用哪一類的成員函數取決於調用對象 a ,pa,b 在定義時的類型。而此時,若 B 類對象 b 想調用直接基類 A 的 print 函數,則應當 b.A::print( )

這種 a,pa,b 能調用哪個同名函數在對象定義時已經確定好瞭的多態,我們稱之為靜態多態。什麼是多態?同一個 print 函數在不同的對象中有不同的作用,這就呈現瞭多態。

這裡再提一點,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。在沒有虛函數時,基類指針是無法調用派生類對象中的成員函數的。

而當我們在 A 類中 print( ) 前加上關鍵字 virtual,變成虛函數時

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

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

再次執行主函數,結果為

在這裡插入圖片描述

這是因為 virtual 跟著對象走,即調用的 print( ) 究竟是 A 類還是 B 類的成員函數取決於“ 調用者 ” a,pa 所指的對象 b 屬於哪一類,而不再是取決於 a,pa 本身在定義時的類型瞭。

這種用基類指針或引用指向某一派生類對象,從而能夠調用指針指向的派生類對象中的函數的多態,我們稱為動態多態,virtual 正是實現動態多態的關鍵字。

虛函數表

接著剛才的話題,在 A 類中有虛函數的前提下,我們繼續討論

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;
}

執行結果為

在這裡插入圖片描述

為什麼有虛函數的 A 類大小為 8 字節,繼承 A 的 B 為 8 字節,而沒有虛函數的 C 類是 1 字節呢?聯想到 64 位操作系統下指針占8個字節內存,而 A 大小也是 8 字節,是巧合嗎?事實上,在包含虛函數的類中,在該類的存儲空間中,會有一個指向虛函數表的指針,正是這個指針使 A 的大小變為 8 字節。而指針所指的虛函數表本質上是 A 類中定義的所有虛函數名構成的列表。A 中隻定義瞭一個虛函數 print( ) ,所以虛函數表中也隻有一個虛函數名 print,通過這個虛函數名,再找到整個虛函數 print( ) 在內存中的存儲位置 ( B 同理 ) 。

驗證虛函數表的存在性

虛函數表看不見摸不著,怎麼確定它的存在呢?

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

在這裡插入圖片描述

從結果中我們可以發現,((func**)(&a))[0][0](); 等效於 a.print();,即確實證明瞭對象 a 的內存空間中存有一個指向虛函數表的指針,虛函數表的第一個函數名正是 print 。

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