深入理解C++多态-虚函数

引言

C++多态的实现方式可以分为静态多态和动态多态，其中静态多态主要有函数重装和模板两种方式，动态多态就是虚函数。
下面我们将通过解答以下几个问题的方式来深入理解虚函数的原理：

1. 为什么要引入虚函数？（用来解决什么问题）
2. 虚函数底层实现原理
3. 使用虚函数时需要注意什么？

正文

为什么要引入虚函数？

在回答这个问题之前，我们先看一个示例：
假设我们正在开发一个图形编辑器，其中包含各种类型的图形元素，比如圆形、矩形、多边形等。我们要如何管理所有图形对象呢？

• 甲同学的方案：

class Circle {
public:
    void draw() const {
        // 实现绘制圆形的代码
    }
};

class Rectangle {
public:
    void draw() const {
        // 实现绘制矩形的代码
    }
};

// 管理图形对象：
std::vector<Circle*> circle_shapes;
std::vector<Rectangle*> rectangle_shapes;
circle_shapes.push_back(new Circle());
rectangle_shapes.push_back(new Rectangle());

// 刷新绘制图形
for (auto shape : circle_shapes) {
    shape->draw();
}
for (auto shape : rectangle_shapes) {
    shape->draw();
}

甲同学实现的方法比较直白简单，有多少种类型的图形就定义多少种类，维护和绘制都需要根据图形类型数量来修改。
当我要新增一种图形类型Polygon时，就需要新增以下代码：

class Polygon {
public:
    void draw() const {
        // 实现绘制矩形的代码
    }
};

// 管理图形对象：
std::vector<Polygon*> polygon_shapes;
polygon_shapes.push_back(new Polygon());

// 刷新绘制图形
for (auto shape : polygon_shapes) {
    shape->draw();
}

这种方式的扩展性、可维护性都是最差的。

• 乙同学的方案：

class Shape {
public:
    virtual void draw() const = 0; // 纯虚函数，使得Shape成为抽象基类
};

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() const override {
        // 实现绘制圆形的代码
    }
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    void draw() const override {
        // 实现绘制矩形的代码
    }
};

// 管理图形对象：
std::vector<Shape*> shapes;
shapes.push_back(new Circle());
shapes.push_back(new Rectangle());

// 刷新绘制图形
// 通过基类指针调用适当的draw方法
for (auto* shape : shapes) {
    shape->draw(); // 在运行时决定调用哪个类的draw方法
}

乙同学将图形抽象出一个基类Shape，然后继承该类来实现Circle和Rectangle；同时将通用接口设计成虚函数，派生类重写虚函数，在运行时根据对象来调用哪个类的函数。
这种方式既简化了代码，又提高了可扩展性和可维护性。

具体来说，虚函数解决的主要问题是如何在不完全知道对象类型的情况下，调用正确的函数。在没有虚函数的情况下，函数的调用在编译时就已经确定了（这称为静态绑定）。但是，如果我们想要在运行时根据对象的实际类型来决定调用哪个函数（动态绑定），就需要使用虚函数。

虚函数底层实现原理

我们先介绍一下虚函数实现原理中最重要的两个东西：虚函数表（也称虚表，vtable）和虚指针（也称虚表指针，vptr）。

虚函数表

每个包含虚函数的类或其派生类都会拥有一个虚函数表。这个表是一个编译时生成的静态数组，存储在每个类的定义中。
虚函数表主要包含以下元素：

• 虚函数指针：表中的每一个条目都是指向类中每个虚函数的指针。这包括从基类继承来的虚函数，如果在派生类中被重写，则指向新的函数地址。
• 类型信息：在支持运行时类型识别（RTTI）的系统中，虚函数表还可能包含指向类型信息的指针，这有助于typeid和dynamic_cast等操作。

虚指针

虚指针是每个对象中的一个隐含成员，如果该对象的类包含虚函数。在对象构造时，编译器设置这个虚指针指向相应类的虚函数表。

每次通过类的实例调用虚函数时，程序会首先通过虚指针访问虚函数表，然后通过虚函数表定位到具体的函数地址并调用。这个过程是在运行时完成的，因此允许函数调用根据对象的实际类型动态绑定，而非编译时决定。

想要了解虚函数的实现原理，就需要先了解类的内存布局，通过内存布局来直观地学习虚函数的原理。

内存布局

普通类的内存布局

class N {
public:
	void funA() { std::cout << "funA()" << std::endl; }
	void funB() { std::cout << "funB()" << std::endl; }

	int a;
	int b;
};

class N的内存布局如下：

1>class N	size(8):
1>	+---
1> 0	| a
1> 4	| b
1>	+---

想要看一个类的内存布局，只需要通过添加命令行：/d1 reportSingleClassLayoutXXX（其中XXX就是你想要看的类名）即可。

普通的类只会存储数据成员。

• 普通的类中为什么没有维护成员函数呢？

类的成员函数在编译后存储在程序的代码段中，被程序中所有对象共享。
因为一个类的不同实例对象所执行的成员函数是一样的，没有必要在实例对象中再复制维护了。所有同类的实例对象使用相同的函数代码（通过隐含的this指针来访问对象的成员变量和成员函数），不仅节省内存，也使得程序更加高效。

这里不再详细介绍函数调用的原理了，这是最基础的知识… …

基类的内存布局

class Base {
public:
	virtual void vFunA() = 0;
	virtual void vFunB() {}
	void funA() {}
	void funB() {}

	int a;
	int b;
};

class Base的内存布局如下：

1>class Base	size(12):
1>	+---
1> 0	| {vfptr}
1> 4	| a
1> 8	| b
1>	+---
1>Base::$vftable@:
1>	| &Base_meta
1>	|  0
1> 0	| &Base::vFunA
1> 1	| &Base::vFunB

class Base是一个带虚函数的类，可以看到它的内存布局和普通类有很大的区别。
class Base中的{vfptr}是一个指向虚函数表（vftable）的指针。
Base::$vftable@就是虚函数表，其中&Base_meta是class Base的元数据（该类的类型信息，用于运行时类型识别）。虚函数表内主要是维护该类的虚函数地址。

派生类A的内存布局

class A : public Base {
public:
	virtual void vFunA() override {}
	virtual void vFunB() override {}
	void funA() {}
	void funB() {}

    int c;
};

class A的内存布局如下：

1>class A	size(16):
1>	+---
1> 0	| +--- (base class Base)
1> 0	| | {vfptr}
1> 4	| | a
1> 8	| | b
1>	| +---
1>12	| c
1>	+---
1>A::$vftable@:
1>	| &A_meta
1>	|  0
1> 0	| &A::vFunA
1> 1	| &A::vFunB

派生类A的内存布局和基类又不一样了。
因为class A继承class Base，所以内存布局就包含了基类的数据，然后才是自己的成员c。
这里需要注意的是虚函数表中，虚函数地址发生了变化，原来虚函数表中的虚函数地址分别是&Base::vFunA和&Base::vFunB，现在虚函数地址被更新成class A的虚函数地址了。

派生类B的内存布局

class B : public Base {
public:
	virtual void vFunA() override {}
	void funA() {}
	void funB() {}

	int d;
};

class B的内存布局如下：

1>class B	size(16):
1>	+---
1> 0	| +--- (base class Base)
1> 0	| | {vfptr}
1> 4	| | a
1> 8	| | b
1>	| +---
1>12	| d
1>	+---
1>B::$vftable@:
1>	| &B_meta
1>	|  0
1> 0	| &B::vFunA
1> 1	| &Base::vFunB

派生类B和A的主要区别就是没有重写虚函数vFunB，所以在虚函数表中可以看到虚函数vFunB的地址没有被更新，还是指向基类的虚函数地址。

所以，从上面四个类的内存布局可以看出：

1. 只要写了虚函数，就会多生成一个虚函数表，并且还有虚指针指向虚函数表。
2. 派生类继承基类，并重写虚函数后，虚函数表对应的虚函数地址将被更新。

使用虚函数时需要注意什么？

使用虚函数时需要遵循以下规则：

1. 虚函数不能是静态的

虚函数的目的是为了实现动态多态，和静态函数在本质上是冲突的。

2. 要实现运行时多态性，必须使用基类类型的指针或引用来访问虚函数

如果调用是通过对象实例（而非指针或引用），则会发生静态绑定，在编译时，编译器确定了要调用的函数版本，这种确定不会延迟到运行时。

3. 虚函数的原型在派生类和基类中必须保持一致

虚函数的原型指的是虚函数的名称、返回类型、参数列表、const属性。
这句话的意思就是说派生类重写的虚函数需要和基类的虚函数名称、返回类型、参数列表、const属性都保持一致。

4. 类可以有虚析构函数，但不能有虚构造函数

• 首先我们先分析前半句：类可以有虚析构函数

其实在继承关系中，析构函数必须是虚函数。因为当析构函数不是虚函数，那么通过基类指针释放派生类对象时，只能调用基类的析构函数，导致派生类中的部分资源无法释放。

• 后半句：但不能有虚构造函数

调用虚函数是通过虚指针定位到虚函数表，然后找到对应的虚函数地址。如果构造函数是虚函数，那么调用构造函数是不是需要先通过虚指针来定位虚函数表了，但虚指针的初始化发生在构造函数阶段，所以这里有冲突。

未完待续… …