虚函数

川长思鸟来 2022-03-29 06:25 169阅读 0赞

定义：在某 [基类][Link 1]中声明为 virtual 并在一个或多个 [派生类][Link 2]中被重新定 义的 [成员函数][Link 3] \[1\]

语法：virtual 函数返回类型 函数名（参数表） \{ [ 函数体][Link 4] \}

用途 **：**实现 [多态性][Link 5]，通过指向 [派生类][Link 2]的 [基类][Link 1] [指针][Link 6]，访问派生类中同名覆盖 [成员函数][Link 3]

虚函数必须是基类的非 [静态成员][Link 7]函数，其访问权限可以是protected或public，在基类的类定义中定义虚函数的一般形式：

class [ 基类][Link 1]名\{

.......

virtual 返回值类型 将要在 [派生类][Link 2]中 [重载][Link 8]的函数名（ [参数列表][Link 9]）；

\}；

## [编辑本段][Link 10]作用 ##

虚函数的作用是实现 [动态联编][Link 11]，也就是在程序的运行阶段动态地选择合适的 [成员函数][Link 3]，在定义了虚函数后，可以在 [基类][Link 1]的 [派生类][Link 2]中对虚函数重新定义，在派生类中重新定义的函数应与虚函数具有相同的 [形参][Link 12]个数和形参类型。以实现统一的接口，不同定义过程。如果在 [派生类][Link 2]中没有对虚函数重新定义，则它继承其 [基类][Link 1]的虚函数。

当程序发现虚函数名前的关键字virtual后，会自动将其作为 [动态联编][Link 11]处理，即在程序运行时动态地选择合适的成员函数。虚函数是C++ [多态][Link 13]的一种表现。

例如：子类继承了父类的一个函数（方法），而我们把父类的 [指针][Link 6]指向子类，则必须把父类的该函数（方法）设为virtual（虚函数）。

（\[2010.10.28\] 注：下行语义容易使人产生理解上的偏差，实际效果应为：

如存在：Base -> Derive1 -> Derive2 及它们所拥有的虚函数func()

则在访问 [派生类][Link 2]Derive1的实例时，使用其 [基类][Link 1]Base及本身类型Derive1，或被 [静态][Link 14]转换的后续派生类Derive2的 [指针][Link 6]或引用，均可访问到Derive1所实现的func()。）

[动态联编][Link 11]规定，只能通过指向 [基类][Link 1]的 [指针][Link 6]或基类对象的引用来调用虚函数，其格式：

1、指向 [基类][Link 1]的指针变量名->虚函数名（ [实参][Link 15]表）

2、 [基类][Link 1]对象的引用名. 虚函数名（ [实参][Link 15]表）

使用虚函数，我们可以灵活的进行 [动态绑定][Link 16]，当然是以一定的开销为代价。如果父类的函数（方法）根本没有必要或者无法实现，完全要依赖子类去实现的话，可以把此函数（方法）设为virtual 函数名=0 我们把这样的函数（方法）称为 [纯虚函数][Link 17]。

如果一个类包含了 [纯虚函数][Link 17]，称此类为 [抽象类][Link 18]。

## [编辑本段][Link 10]示例 ##

### 虚函数的实例 ###

\# **include**<iostream>

**using namespace** std;

**class** Cshape \{

**public**:

**void** SetColor( **int** color) \{ m\_nColor=color;\}

**virtual void** Display( **void**) \{ **cout**<<"Cshape"<< **endl**; \}

**private**:

int m\_nColor;

\};

**class** Crectangle: **public** Cshape \{

**public**:

**virtual void** Display( **void**) \{ **cout**<<"Crectangle"<< **endl**; \}

\};

**class** Ctriangle: **public** Cshape \{

**virtual void** Display( **void**) \{ **cout**<<"Ctriangle"<< **endl**; \}

\};

**class** Cellipse : **public** Cshape \{

**public**:

**virtual void** Display( **void**) \{  **cout**<<"Cellipse"<< **endl**;\}

\};

**void main**()

Cshape obShape;

Cellipse obEllipse;

Ctriangle obTriangle;

Crectangle obRectangle;

Cshape \* pShape\[4\]= \{ &obShape,&obEllipse,&obTriangle,& obRectangle \};

**for**( **int** I= 0; I< 4; I++)

pShape\[I\]->Display( );

本程序运行结果：

Cshape

Cellipse

Ctriangle

Crectangle

### 条件 ###

所以，从以上 [程序分析][Link 19]，实现 [动态联编][Link 11]需要三个条件：

1、 必须把 [动态联编][Link 11]的行为定义为类的虚函数。

2、 类之间存在子类型关系，一般表现为一个类从另一个类公有派生而来。

3、 必须先使用 [基类][Link 1] [指针][Link 6]指向子类型的对象，然后直接或者间接使用基类指针调用虚函数。

## [编辑本段][Link 10]其他信息 ##

定义虚函数的限制：（1）非 [类的成员函数][Link 20]不能定义为虚函数，类的成员函数中 [静态成员][Link 7]函数和 [构造函数][Link 21]也不能定义为虚函数，但可以将 [析构函数][Link 22]定义为虚函数。实际上，优秀的程序员常常把 [基类][Link 1]的 [析构函数][Link 22]定义为虚函数。因为，将 [基类][Link 1]的 [析构函数][Link 22]定义为虚函数后，当利用delete删除一个指向 [派生类][Link 2]定义的 [对象指针][Link 23]时，系统会调用相应的类的析构函数。而不将 [析构函数][Link 22]定义为虚函数时，只调用 [基类][Link 1]的析构函数。

（2）只需要在声明函数的类体中使用 [关键字][Link 24]“virtual”将函数声明为虚函数，而定义函数时不需要使用关键字“virtual”。

（3）当将 [基类][Link 1]中的某一 [成员函数][Link 3]声明为虚函数后， [派生类][Link 2]中的同名函数自动成为虚函数。

（4）如果声明了某个 [成员函数][Link 3]为虚函数，则在该类中不能出现和这个成员函数同名并且返回值、参数个数、类型都相同的非虚函数。在以该类为 [基类][Link 1]的 [派生类][Link 2]中，也不能出现这种同名函数。

虚函数联系到 [多态][Link 13]，多态联系到继承。所以本文中都是在继承层次上做文章。没了继承，什么都没得谈。

虚函数联系到多态，多态联系到继承。所以本文中都是在继承层次上做文章。没了继承，什么都没得谈。  
  
下面是对C++的虚函数这玩意儿的理解。  
  
一，  什么是虚函数（如果不知道虚函数为何物，但有急切的想知道，那你就应该从这里开始）  
  
简单地说，那些被virtual关键字修饰的成员函数，就是虚函数。虚函数的作用，用专业术语来解释就是实现多态性（Polymorphism），多态性是将接口与实现进行分离；用形象的语言来解释就是实现以共同的方法，但因个体差异而采用不同的策略。下面来看一段简单的代码  
  
class A\{  
  
public:  
  
void print()\{ cout<<”This is A”<<endl;\}  
  
\};  
  
class B:public A\{  
  
public:  
  
void print()\{ cout<<”This is B”<<endl;\}  
  
\};  
  
int main()\{   //为了在以后便于区分，我这段main()代码叫做main1  
  
A a;  
  
B b;  
  
a.print();  
  
b.print();  
  
\}  
  
通过class A和class B的print()这个接口，可以看出这两个class因个体的差异而采用了不同的策略，输出的结果也是我们预料中的，分别是This is A和This is B。但这是否真正做到了多态性呢？No，多态还有个关键之处就是一切用指向基类的指针或引用来操作对象。那现在就把main()处的代码改一改。  
  
int main()\{   //main2  
  
A a;  
  
B b;  
  
A\* p1=&a;  
  
A\* p2=&b;  
  
p1->print();  
  
p2->print();  
  
\}  
  
运行一下看看结果，哟呵，蓦然回首，结果却是两个This is A。问题来了，p2明明指向的是class B的对象但却是调用的class A的print()函数，这不是我们所期望的结果，那么解决这个问题就需要用到虚函数  
  
class A\{  
  
public:  
  
virtual void print()\{ cout<<”This is A”<<endl;\}  //现在成了虚函数了  
  
\};  
  
class B:public A\{  
  
public:  
  
void print()\{ cout<<”This is B”<<endl;\}  //这里需要在前面加上关键字virtual吗？  
  
\};  
  
毫无疑问，class A的成员函数print()已经成了虚函数，那么class B的print()成了虚函数了吗？回答是Yes，我们只需在把基类的成员函数设为virtual，其派生类的相应的函数也会自动变为虚函数。所以，class B的print()也成了虚函数。那么对于在派生类的相应函数前是否需要用virtual关键字修饰，那就是你自己的问题了。  
  
现在重新运行main2的代码，这样输出的结果就是This is A和This is B了。  
  
现在来消化一下，我作个简单的总结，指向基类的指针在操作它的多态类对象时，会根据不同的类对象，调用其相应的函数，这个函数就是虚函数。

### 二， 虚函数的实现 ###

（如果你没有看过《Inside The C++ Object Model》这本书，但又急切想知道，那你就应该从这里开始）

虚函数是如何做到因对象的不同而调用其相应的函数的呢？现在我们就来剖析虚函数。我们先定义两个类

class A\{ //虚函数示例代码

public:

virtual void fun()\{cout<<1<<endl;\}

virtual void fun2()\{cout<<2<<endl;\}

\};

class B:public A\{

public:

void fun()\{cout<<3<<endl;\}

void fun2()\{cout<<4<<endl;\}

\};

由于这两个类中有虚函数存在，所以 [编译器][Link 25]就会为他们两个分别插入一段你不知道的数据，并为他们分别创建一个表。那段数据叫做vptr [指针][Link 6]，指向那个表。那个表叫做vtbl，每个类都有自己的vtbl，vtbl的作用就是保存自己类中虚函数的地址，我们可以把vtbl形象地看成一个 [数组][Link 26]，这个数组的每个元素存放的就是虚函数的地址，请看图

[![e7cd7b899e510fb34cede186d933c895d1430c2e.jpg][]][e7cd7b899e510fb34cede186d933c895d1430c2e.jpg 1]

[  ][e7cd7b899e510fb34cede186d933c895d1430c2e.jpg 1]

通过左图，可以看到这两个vtbl分别为class A和class B服务。现在有了这个模型之后，我们来分析下面的代码

A \*p=new A;

p->fun();

毫无疑问，调用了A::fun（），但是A::fun（）是如何被调用的呢？它像普通函数那样直接跳转到函数的代码处吗？No，其实是这样的，首先是取出vptr的值，这个值就是vtbl的地址，再根据这个值来到vtbl这里，由于调用的函数A::fun（）是第一个虚函数，所以取出vtbl第一个slot里的值，这个值就是A::fun（）的地址了，最后调用这个函数。现在我们可以看出来了，只要vptr不同，指向的vtbl就不同，而不同的vtbl里装着对应类的虚函数地址，所以这样虚函数就可以完成它的任务。

而对于class A和class B来说，他们的vptr [指针][Link 6]存放在何处呢？其实这个指针就放在他们各自的实例对象里。由于class A和class B都没有 [数据成员][Link 27]，所以他们的实例对象里就只有一个vptr指针。通过上面的分析，现在我们来实作一段代码，来描述这个带有虚函数的类的简单模型。

\#include<iostream>

using namespace std;

//将上面“虚函数示例代码”添加在这里

int main()\{

void (\*fun)(A\*);

A \*p=new B;

long lVptrAddr;

memcpy(&lVptrAddr,p,4);

memcpy(&fun,reinterpret\_cast<long\*>(lVptrAddr),4);

fun(p);

delete p;

system("pause");

用VC或 [Dev-C++][Dev-C]编译运行一下，看看结果是不是输出3，如果不是，那么太阳明天肯定是从西边出来。现在一步一步开始分析

void (\*fun)(A\*); 这段定义了一个 [函数指针][Link 28]名字叫做fun，而且有一个A\*类型的参数，这个函数指针待会儿用来保存从vtbl里取出的函数地址

A\* p=new B; new B是向内存（内存分5个区：全局名字空间，自由存储区，寄存器，代码空间，栈）自由存储区申请一个内存单元的地址然后隐式地保存在一个 [指针][Link 6]中.然后把这个地址赋值给A类型的指针P.

long lVptrAddr; 这个long类型的 [变量][Link 29]待会儿用来保存vptr的值

memcpy(&lVptrAddr,p,4); 前面说了，他们的实例对象里只有vptr [指针][Link 6]，所以我们就放心大胆地把p所指的4bytes内存里的东西复制到lVptrAddr中，所以复制出来的4bytes内容就是vptr的值，即vtbl的地址

现在有了vtbl的地址了，那么我们现在就取出vtbl第一个slot里的内容

memcpy(&fun,reinterpret\_cast<long\*>(lVptrAddr),4); 取出vtbl第一个slot里的内容，并存放在 [函数指针][Link 28]fun里。需要注意的是lVptrAddr里面是vtbl的地址，但lVptrAddr不是 [指针][Link 6]，所以我们要把它先转变成指针类型

fun(p); 这里就调用了刚才取出的函数地址里的函数，也就是调用了B::fun（）这个函数，也许你发现了为什么会有参数p，其实类 [成员函数][Link 3]调用时，会有个this [指针][Link 6]，这个p就是那个this指针，只是在一般的调用中 [编译器][Link 25]自动帮你处理了而已，而在这里则需要自己处理。

delete p; 释放由p指向的自由空间；

system("pause"); 屏幕暂停；

如果调用B::fun2（）怎么办？那就取出vtbl的第二个slot里的值就行了

memcpy(&fun,reinterpret\_cast<long\*>(lVptrAddr+4),4); 为什么是加4呢？因为一个 [指针][Link 6]的长度是4bytes，所以加4。或者memcpy(&fun,reinterpret\_cast<long\*>(lVptrAddr)+1,4); 这更符合 [数组][Link 26]的用法，因为lVptrAddr被转成了long\*型别，所以+1就是往后移sizeof(long）的长度

### 三， 代码示例 ###

\#include<iostream>

using namespace std;

class A\{ //虚函数示例代码2

public:

virtual void fun()\{ cout<<"A::fun"<<endl;\}

virtual void fun2()\{cout<<"A::fun2"<<endl;\}

\};

class B:public A\{

public:

void fun()\{ cout<<"B::fun"<<endl;\}

void fun2()\{ cout<<"B::fun2"<<endl;\}

\}; //end//虚函数示例代码2

int main()\{

void (A::\*fun)(); //定义一个 [函数指针][Link 28]

A \*p=new B;

fun=&A::fun;

(p->\*fun)();

fun = &A::fun2;

(p->\*fun)();

delete p;

system("pause");

你能估算出输出结果吗？如果你估算出的结果是A::fun和A::fun2，呵呵，恭喜恭喜，你中圈套了。其实真正的结果是B::fun和B::fun2，如果你想不通就接着往下看。给个提示，&A::fun和&A::fun2是真正获得了虚函数的地址吗？

首先我们回到第二部分，通过段实作代码，得到一个“通用”的获得虚函数地址的方法

\#include<iostream>

using namespace std;

//将上面“虚函数示例代码2”添加在这里

void CallVirtualFun(void\* pThis,int index=0)\{

void (\*funptr)(void\*);

long lVptrAddr;

memcpy(&lVptrAddr,pThis,4);

memcpy(&funptr,reinterpret\_cast<long\*>(lVptrAddr)+index,4);

funptr(pThis); //调用

int main()\{

A\* p=new B;

CallVirtualFun(p); //调用虚函数p->fun()

CallVirtualFun(p,1);//调用虚函数p->fun2()

system("pause");

### CallVirtualFun方法 ###

现在我们拥有一个“通用”的CallVirtualFun方法。

这个通用方法和第三部分开始处的代码有何联系呢？联系很大。由于A::fun（）和A::fun2（）是虚函数，所以&A::fun和&A::fun2获得的不是函数的地址，而是一段间接获得虚函数地址的一段代码的地址，我们形象地把这段代码看作那段CallVirtualFun。 [编译器][Link 25]在编译时，会提供类似于CallVirtualFun这样的代码，当你调用虚函数时，其实就是先调用的那段类似CallVirtualFun的代码，通过这段代码，获得虚函数地址后，最后调用虚函数，这样就真正保证了 [多态性][Link 5]。同时大家都说虚函数的效率低，其原因就是，在调用虚函数之前，还调用了获得虚函数地址的代码。

## [编辑本段][Link 10]最后的说明 ##

本文的代码可以用VC6和Dev-C++4.9.8.0通过编译，且运行无问题。其他的 [编译器][Link 25]小弟不敢保证。其中，里面的类比方法只能看成模型，因为不同的 [编译器][Link 25]的底层实现是不同的。例如this [指针][Link 6]，Dev-C++的gcc就是通过压栈，当作 [参数传递][Link 30]，而VC的 [编译器][Link 25]则通过取出地址保存在ecx中。所以这些类比方法不能当作具体实现。

[Link 1]: http://baike.baidu.com/view/535539.htm
[Link 2]: http://baike.baidu.com/view/535532.htm
[Link 3]: http://baike.baidu.com/view/2258939.htm
[Link 4]: http://baike.baidu.com/view/1377635.htm
[Link 5]: http://baike.baidu.com/view/261058.htm
[Link 6]: http://baike.baidu.com/view/159417.htm
[Link 7]: http://baike.baidu.com/view/534160.htm
[Link 8]: http://baike.baidu.com/view/126530.htm
[Link 9]: http://baike.baidu.com/view/8423750.htm
[Link 10]: http://baike.baidu.com/view/161302.htm#
[Link 11]: http://baike.baidu.com/view/535555.htm
[Link 12]: http://baike.baidu.com/view/1158689.htm
[Link 13]: http://baike.baidu.com/view/126521.htm
[Link 14]: http://baike.baidu.com/view/612026.htm
[Link 15]: http://baike.baidu.com/view/816501.htm
[Link 16]: http://baike.baidu.com/view/5776203.htm
[Link 17]: http://baike.baidu.com/view/502798.htm
[Link 18]: http://baike.baidu.com/view/262290.htm
[Link 19]: http://baike.baidu.com/view/1549658.htm
[Link 20]: http://baike.baidu.com/view/2345889.htm
[Link 21]: http://baike.baidu.com/view/411124.htm
[Link 22]: http://baike.baidu.com/view/1277985.htm
[Link 23]: http://baike.baidu.com/view/534144.htm
[Link 24]: http://baike.baidu.com/view/390935.htm
[Link 25]: http://baike.baidu.com/view/487018.htm
[Link 26]: http://baike.baidu.com/view/209670.htm
[e7cd7b899e510fb34cede186d933c895d1430c2e.jpg]: /images/20220329/d4904b38b46441ed825794c2267dc8a9.png
[e7cd7b899e510fb34cede186d933c895d1430c2e.jpg 1]: http://baike.baidu.com/picview/161302/161302/0/78701455f0d048e5b645ae48.html
[Link 27]: http://baike.baidu.com/view/709620.htm
[Dev-C]: http://baike.baidu.com/view/246761.htm
[Link 28]: http://baike.baidu.com/view/1604730.htm
[Link 29]: http://baike.baidu.com/view/296689.htm
[Link 30]: http://baike.baidu.com/view/2691131.htm