title: 理解C++虚函数
date: 2018-11-11 15:31:26
1. 简单介绍
C++虚函数是定义在基类中的函数，子类必须对其进行覆盖。在类中声明（无函数体的形式叫做声明）虚函数的格式如下：
virtual void display();
2. 虚函数的作用
虚函数有两大作用：
（1）定义子类对象，并调用对象中未被子类覆盖的基类函数A。同时在该函数A中，又调用了已被子类覆盖的基类函数B。那此时将会调用基类中的函数B，可我们本应该调用的是子类中的覆盖函数B。虚函数即能解决这个问题。
以下是没有使用虚函数的例子：
#include<iostream>
using namespace std;
// 基类 Father
class Father {
public:
void display() {
cout<<"Father::display()\n";
}
// 在函数中调用了，子类覆盖基类的函数display()
void fatherShowDisplay() {
display();
}
};
// 子类Son
class Son:public Father {
public:
// 重写基类中的display()函数
void display() {
cout<<"Son::display()\n";
}
};
int main() {
Son son; // 子类对象
son.fatherShowDisplay(); // 通过基类中未被覆盖的函数，想调用子类中覆盖的display函数
}
该例子的运行结果是： Father::display()
以下是使用虚函数的例子：
#include<iostream>
using namespace std;
// 基类 Father
class Father {
public:
virtual void display() {
cout<<"Father::display()\n";
}
// 在函数中调用了，子类覆盖基类的函数display()
void fatherShowDisplay() {
display();
}
};
// 子类Son
class Son:public Father {
public:
// 重写基类中的display()函数
void display() {
cout<<"Son::display()\n";
}
};
int main() {
Son son; // 子类对象
son.fatherShowDisplay(); // 通过基类中未被覆盖的函数，想调用子类中覆盖的display函数
}
该例子的运行结果是： Son::display()
（2）在使用指向子类对象的基类指针，并调用子类中的覆盖函数时，如果该函数不是虚函数，那么将调用基类中的该函数；如果该函数是虚函数，则会调用子类中的该函数。
以下是没有使用虚函数的例子：
#include<iostream>
using namespace std;
// 基类 Father
class Father {
public:
void display() {
cout<<"Father::display()\n";
}
};
// 子类Son
class Son:public Father {
public:
// 覆盖基类中的display函数
void display() {
cout<<"Son::display()\n";
}
};
int main() {
Father *fp; // 定义基类指针
Son son; // 子类对象
fp=&son; // 使基类指针指向子类对象
fp->display(); // 通过基类指针想调用子类中覆盖的display函数
}
该例子的运行结果是： Father::display()
结果说明，通过指向子类对象的基类指针调用子类中的覆盖函数是不能实现的，因此虚函数应运而生。
以下是使用虚函数的例子：
#include<iostream>
using namespace std;
// 基类 Father
class Father {
public:
// 定义了虚函数
void virtual display() {
cout<<"Father::display()\n";
}
};
// 子类Son
class Son:public Father {
public:
// 覆盖基类中的display函数
void display() {
cout<<"Son::display()\n";
}
};
int main() {
Father *fp; // 定义基类指针
Son son; // 子类对象
fp=&son; // 使基类指针指向子类对象
fp->display(); // 通过基类指针想调用子类中覆盖的display函数
}
该例子的运行结果是： Son::display()
3. 虚函数的实际意义
或许，很多小伙伴都会有这样一个疑问：如果想调用子类中的覆盖函数，直接通过子类对象，或者指向子类对象的子类指针来调用，不就没这个烦恼了吗？要虚函数还有什么用呢？
其实不然，虚函数的实际意义非常之大。比如在实际开发过程中，会用到别人封装好的框架和类库，我们可以通过继承其中的类，并覆盖基类中的函数，来实现自定义的功能。
但是，有些函数是需要框架来调用，并且API需要传入基类指针类型的参数。而使用虚函数就可以，将指向子类对象的基类指针来作为参数传入API，让API能够通过基类指针，来调用我们自定义的子类函数。这就是多态性的真正体现。
4. 浅谈虚函数的原理
参考：C++中的虚函数(表)实现机制以及用C语言对其进行的模拟实现
虚函数的本质是一个简单的虚函数表。
当一个类存在虚函数时，通过该类创建的对象实例，会在内存空间的前4字节保存一个指向虚函数表的指针__vfptr。
__vfptr指向的虚函数表，是类独有的，而且被该类的所有对象共享。虚函数表的实质，是一个虚函数地址的数组，它包含了类中每个虚函数的地址，既有当前类定义的虚函数，也有覆盖父类的虚函数，也有继承而来的虚函数。
当子类覆盖了父类的虚函数时，子类虚函数表将包含子类虚函数的地址，而不会有父类虚函数的地址。
同时，当用基类指针指向子类对象时，基类指针指向的内存空间中的__vfptr依旧指向了子类的虚函数表。所以，基类指针依旧会调用子类的虚函数。
见如下示例：
4.1. 自己定义了虚函数的类
class Base1 {
public:
int base1_1;
int base1_2;
virtual void base1_fun1() {}
virtual void base1_fun2() {}
};
定义两个对象：
Base1 b1;
Base1 b2;
两个对象的内存空间分配如下：
4.2. 既包含覆盖虚函数，又包含继承虚函数的类
class Base1 {
public:
int base1_1;
int base1_2;
virtual void base1_fun1() {}
virtual void base1_fun2() {}
};
class Derive1 : public Base1 {
public:
int derive1_1;
int derive1_2;
// 覆盖基类函数
virtual void base1_fun1() {}
};
定义一个子类对象：
Derive1 d1;
其内存空间如下：
由图可以看出：
Base1 *b_p = &d1; // 指向子类对象的基类指针
b_p->base1_fun1(); // 调用子类虚函数
