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C++虚函数的简单理解

2021-03-08 23:00:56 作者：互联网

虚函数

为何要用

在了解虚函数的原理、实现之前，我们肯定心里会有所疑惑，为什么需要用到虚函数呢？普通函数存在什么弊病吗？
带着这个疑惑，我们可以来看看官方给出的解释：

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。

很迷惑对吧？
我们再来看看别的博主给出的解释：

在继承关系中，从this指针角度出发，可以这样考虑：指向基类和子类的指针，在运行时类型是不同的（分别指向不同的类）。但是在编译时，他们都要指向基类的类型（从函数执行顺序可以看出，在子类初始化时，首先要进入基类的构造函数），去继承public方法，在遇到“virtual”关键字时，“编译指针（类似this的感觉）”会自动跳到对应子类中的函数实现处。而不是直接跳到基类中的函数实现。所以，子类中的方法就覆盖了基类中的方法。基类中的方法形成虚设，所以虚函数是也~

所以，作者高亮的部分的是我认为的答案。关于这个，我们来看如下的代码：

class A
{
public:
	A()
	{
		cout << "A created " << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "A destroyed " << this << endl;
	}
	void print()
	{
		cout << "This is A" << endl;
	}
};

首先我们设计了一个非常简单的类A，除了构造函数和析构函数之外就只有一个打印函数void print()；

class B:public A
{
public:
	B()
	{
		cout << "B created " << this << endl;
	}
	~B()
	{
		cout << "B destroyed " << this << endl;
	}
	void print()
	{
		cout << "This is B" << endl;
	}
};

接下来我们设计了另一个类B，公有继承类A，和A保持一样，除了构造函数和析构函数之外，只有一个打印函数void print()。

int main()
{
	A a;
	B b;
	A* pa = &a;
	B* pb = &b;

	pa->print();
	pb->print();

	// 基类指针
	A* t = new B();
	t->print();
	delete t;

	return 0;
}

接下来我们就分别定义了A类和B类的对象a和b，并且使用指针调用成员函数。输出结果如下：
在这里插入图片描述
我们可以发现，对于子类B来说，每次创建一个新对象时总会先去调用父类的构造函数，销毁一个对象时会先调用自身的析构函数随后调用父类的析构函数。
最关键的，父类的指针指向子类的对象时，调用成员函数是调用父类的。
这个时候我们修改代码如下：

class A
{
public:
	A()
	{
		cout << "A created " << this << endl;
	}
	~A()
	{
		cout << "A destroyed " << this << endl;
	}
	virtual void print()
	{
		cout << "This is A" << endl;
	}
};

可以看到，与之前唯一的不同就是：增加了virtual关键字，使类A的成员函数变成了虚函数，运行结果如下：
在这里插入图片描述
可以看到，此时基类的指针调用了派生类的函数。

事实上，问题的所在就是：
通过基类指针只能访问派生类的成员变量，但是不能访问派生类的成员函数。

故，我们简单总结，为什么要引入虚函数？
就是要实现多态的机制，允许用基类的指针来调用派生类的函数。

工作原理

通常，编译器处理虚函数的方法是：给每个对象添加一个隐藏成员。隐藏成员中保存了一个指向函数地址数组的指针。这种数组称为虚函数表（virtual function table，vtbl）。虚函数表中村蠢了为类对象进行声明的虚函数的地址。例如，基类对象包含一个指针，该指针指向基类中所有虚函数的地址表。派生类对象将包含一个指向独立地址表的指针。如果派生类提供了虚函数的新定义，该虚函数表将保存新函数的地址；如果派生类没有重新定义虚函数，该vtbl将保存函数原始版本的地址。如果派生类定义了新的虚函数，则该函数的地址也将被添加到vtbl中。
参见下图：
在这里插入图片描述

内存布局

要想知道C++对象的内存布局，可以有多种方式，比如：

输出成员变量的偏移，可以通过offsetof宏来得到；
通过调试器查看，比如常见的VS.

1.只有数据成员的对象

类实现如下：

class Base1
{
public:
	int base_1;
	int base_2;
};

对象大小及偏移：

sizeof (base1)	8
offsetof (Base1, base_1)	0
offsetof (Base1, base_2)	4

故我们可以知道对象的布局如下：
在这里插入图片描述
可以看到，成员变量按照定义的顺序来保存，最先声明的在最上边，类对象的大小就是所有成员变量的大小之和。

2.仅拥有一个虚函数的类对象

类实现如下：

class Base1
{
public:
	int base_1;
	int base_2;

	virtual void base1_fun1(){}
};

对象大小及偏移如下：

sizeof (base1)	12
offsetof (Base1, base_1)	4
offsetof (Base1, base_2)	8

我们会发现在成员变量base_1之前多了4个字节，并且base_1和base_2的偏移都各自向后了4个字节，这说明类对象的最前面被多加了4个字节的东西。这个是什么呢？
我们打开VS2019 的编译器来看看：
在这里插入图片描述
可以看到，base_1前面多了一个变量_vfptr
这个呢，就是我们上面提到的指向虚函数表virtual function table(vtbl)的指针。其类型是void **，这说明它是一个void *指针。
【0】元素其实就是Base1::base1_fun1()函数的地址。
至此，我们可以得到该类的对象大小及偏移信息：

sizeof (base1)	12
offsetof (_vfptr)	0
offsetof (Base1, base_1)	4
offsetof (Base1, base_2)	8

故现在的对象布局如下：
在这里插入图片描述

3.拥有多个虚函数的类对象

类实现如下：

class Base1
{
public:
	int base_1;
	int base_2;

	virtual void base1_fun1() {}
	virtual void base1_fun2() {}
};

对象大小及偏移如下：

sizeof (base1)	12
offsetof (_vfptr)	0
offsetof (Base1, base_1)	4
offsetof (Base1, base_2)	8

我们可以发现，多了一个虚函数，但是类对象的大小却依然是12字节！
再来看看VS编译器下的调试：
在这里插入图片描述
我们可以看到，此时 _vfptr 所指向的函数指针数组中多了一个元素【1】，它的值就是新增加的Base1::base1_fun2()函数的地址。

简单总结

通过以上内存布局的整理，我们可以得到如下结论：

_vfptr 只是一个指针，它指向了一个函数指针数组（虚函数表）；
增加一个虚函数只是简单地向该类对应的虚函数表增加了一项而已，并不会因此而影响到类对象的大小以及布局情况。

参考资料

【1】虚函数（百度百科）
【2】草上爬.C++面试题之虚函数(表)实现机制.CSDN.2018.04.27
【3】zch9081.C++为什么要引入虚函数.CSDN.2014.09.17
【4】Stephen Prata. C++ Primer Plus(第6版)中文版. 北京：人民邮电出版社，2020:35

标签：函数,对象,理解,C++,Base1,base,基类,指针
来源： https://blog.csdn.net/m0_46308273/article/details/114539626