C++虚函数

虚函数

C++中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态，简而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”，这是一种泛型技术。所谓泛型技术，说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比如：模板技术，RTTI技术，虚函数技术，要么是试图做到在编译时决议，要么试图做到运行时决议。

虚函数它虚就虚在所谓"推迟联编"或者"动态联编"上，一个类函数的调用并不是在编译时刻被确定的，而是在运行时刻被确定的。由于编写代码的时候并不能确定被调用的是基类的函数还是哪个派生类的函数，所以被成为"虚"函数。

虚函数的底层实现机制

编译器处理虚函数的方法是：为每个类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，称为虚表指针（vptr），这种数组成为虚函数表（virtual function table, vtbl），即，每个类使用一个虚函数表，每个类对象用一个虚表指针。

举个例子：基类对象包含一个虚表指针，指向基类中所有虚函数的地址表。派生类对象也将包含一个虚表指针，指向派生类虚函数表。看下面两种情况：

如果派生类重写了基类的虚方法，该派生类虚函数表将保存重写的虚函数的地址，而不是基类的虚函数地址。

如果基类中的虚方法没有在派生类中重写，那么派生类将继承基类中的虚方法，而且派生类中虚函数表将保存基类中未被重写的虚函数的地址。注意，如果派生类中定义了新的虚方法，则该虚函数的地址也将被添加到派生类虚函数表中。

C++primer第六版第十三章的虚函数的工作原理

编译器处理虚函数的方法是：
给每个对象添加一个指针，存放了指向虚函数表的地址，虚函数表存储了为类对象进行声明的虚函数地址。比如基类对象包含一个指针，该指针指向基类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，该虚函数表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，则该函数的地址将被添加到虚函数表中，注意虚函数无论多少个都只需要在对象中添加一个虚函数表的地址。

调用虚函数时，程序将查看存储在对象中的虚函数表地址，转向相应的虚函数表，使用类声明中定义的第几个虚函数，程序就使用数组的第几个函数地址，并执行该函数。

使用虚函数后的变化

（1） 对象将增加一个存储地址的空间（32位系统为4字节，64位为8字节）。
（2） 每个类编译器都创建一个虚函数地址表
（3） 对每个函数调用都需要增加在表中查找地址的操作。

虚函数的注意事项

总结前面的内容
（1） 基类方法中声明了方法为虚后，该方法在基类派生类中是虚的。
（2） 若使用指向对象的引用或指针调用虚方法，程序将根据对象类型来调用方法，而不是指针的类型。
（3）如果定义的类被用作基类，则应将那些要在派生类中重新定义的类方法声明为虚。

构造函数不能为虚函数。
基类的析构函数应该为虚函数。
友元函数不能为虚，因为友元函数不是类成员，只有类成员才能是虚函数。
如果派生类没有重定义函数，则会使用基类版本。
重新定义继承的方法若和基类的方法不同（协变除外），会将基类方法隐藏；如果基类声明方法被重载，则派生类也需要对重载的方法重新定义，否则调用的还是基类的方法。

虚函数表

虚函数（Virtual Function）是通过一张虚函数表（Virtual Table）来实现的。简称为V-Table。在这个表中，主是要一个类的虚函数的地址表，这张表解决了继承、覆盖的问题，保证其容真实反应实际的函数。这样，在有虚函数的类的实例中这个表被分配在了这个实例的内存中，所以，当我们用父类的指针来操作一个子类的时候，这张虚函数表就显得由为重要了，它就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。

C++的编译器应该是保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置（这个类的每个对象实例都一一个虚函数表，但是虚函数表中虚函数的地址都是相同的）（这是为了保证取到虚函数表的有最高的性能——如果有多层继承或是多重继承的情况下）。 这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表，然后就可以遍历其中函数指针，并调用相应的函数。

多态

通俗的，一个事物有多种状态，在C++里是指一个基类和派生类的同名成员函数（虚函数），当基类指针指向派生类对象或者基类对象调用这个同名函数，有不同的结果。基类的指针操纵多个类型的能力被称为多态

多态分为静态多态和动态多态
静态多态是在编译期间完成，根据函数参数实参判断需要调用的函数。以此形成了函数重载技术和泛型编程。

动态多态则是利用虚函数实现了运行时的多态，也就是说在系统编译的时候并不知道程序将要调用哪一个函数，只有在运行到这里的时候才能确定接下来会跳转到哪一个函数的栈帧。

什么时候形成动态多态

1. 基类必须有虚函数，并且派生类对虚函数进行重写。
2. 通过基类指针调用虚函数。

这里又有虚函数和重写的概念，声明虚函数只需在其返回值前加virtual关键字。

在派生类重写虚函数必须保持函数原型一致，包括返回值，参数，函数名，可以不加virtual修饰。

两个例外：虚析构，协变——基类的虚函数返回基类指针或引用，派生类虚函数返回派生类指针或引用

函数重载，同名隐藏，重写

三个概念看起来很类似，都是对同名成员的处理。

重载：两个函数名相同，但是参数列表不同（个数，类型），返回值类型没有要求，在同一作用域中

重写：子类继承了父类，父类中的函数是虚函数，在子类中重新定义了这个虚函数，这种情况是重写

函数重载实现了在同一作用域内的同名函数根据不同的实参进行不同调用的技术。

同名隐藏是在继承体系中，派生类和基类有同名成员，使用就近原则的调用。

重写是针对派生类的虚函数，且基类和派生类虚函数原型一致，是动态多态的条件。