虚函数详解

1定义

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

语法：virtual 函数返回类型 函数名（参数表） { ​​函数体​​;}

用途 ：实现 ​​多态性​​​，通过指向 ​​​派生类​​​的 ​​​基类​​​ ​​​指针​​​，访问派生类中同名覆盖 ​​​成员函数​​

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

class ​​基类​​名{

.......

virtual 返回值类型 将要在 ​​派生类​​​中 ​​​重载​​​的函数名（ ​​​参数列表​​）；

}；

2作用

虚函数的作用是实现 ​​动态联编​​​，也就是在程序的运行阶段动态地选择合适的 ​​​成员函数​​​，在定义了虚函数后，可以在 ​​​基类​​​的 ​​​派生类​​​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​​​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​​​中没有对虚函数重新定义，则它继承其 ​​​基类​​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​​​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​​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​​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​​​Derive1的实例时，使用其 ​​​基类​​​Base及本身类型Derive1，或被 ​​​静态​​​转换的后续派生类Derive2的 ​​​指针​​或引用，均可访问到Derive1所实现的func()。）

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

1、指向 ​​基类​​​的指针变量名->虚函数名（ ​​​实参​​表）

2、 ​​基类​​​对象的引用名. 虚函数名（ ​​​实参​​表）

使用虚函数，我们可以灵活的进行 ​​动态绑定​​​，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​​。

如果一个类包含了 ​​纯虚函数​​​，称此类为 ​​​抽象类​​。

3示例

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

如果把Cshape类里面virtual void Display(void) 中的virtual去掉的话

运行结果就不一样了：

Cshape

Cshape

Cshape

Cshape

条件

所以，从以上 ​​程序分析​​​，实现 ​​​动态联编​​需要三个条件：

1、 必须把 ​​动态联编​​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​​​ ​​​指针​​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。

4c++的

下面是对C++的虚函数的理解。

一，定义

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， 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​​​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​​​，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​​，这个数组的每个元素存放的就是虚函数的地址，请看图

​​

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​​​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​​，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++​​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​​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​​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​​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​​，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​​​fun里。需要注意的是lVptrAddr里面是vtbl的地址，但lVptrAddr不是 ​​​指针​​，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​​​调用时，会有个this ​​​指针​​​，这个p就是那个this指针，只是在一般的调用中 ​​​编译器​​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​​​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​​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​​

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

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​​​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​​。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。

5其他信息

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

（2）只需要在声明函数的类体中使用 ​​关键字​​“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​​​中的某一 ​​​成员函数​​​声明为虚函数后， ​​​派生类​​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​​​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​​​的 ​​​派生类​​中，也不能出现这种同名函数。

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。

6最后说明

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​​​小弟不敢保证。其中的类比方法只能看成模型，因为不同的 ​​​编译器​​​的底层实现是不同的。例如this ​​​指针​​​，Dev-C++的gcc就是通过压栈，当作 ​​​参数传递​​​，而VC的 ​​​编译器​​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