关于虚函数

一、多态与重载

1、多态的概念

面向对象的语言有三大特性：继承、封装、多态。虚函数作为多态的实现方式，重要性毋庸置疑。
多态意指相同的消息给予不同的对象会引发不同的动作（一个接口，多种方法）。其实更简单地来说，就是“在用父类指针调用函数时，实际调用的是指针指向的实际类型（子类）的成员函数”。多态性使得程序调用的函数是在运行时动态确定的，而不是在编译时静态确定的。

2、重载—编译期多态的体现

重载，是指在一个类中的同名不同参数的函数调用，这样的方法调用是在编译期间确定的。

3、虚函数—运行期多态的体现

运行期多态发生的三个条件：继承关系、虚函数覆盖、父类指针或引用指向子类对象。

二、虚函数实例

#include <iostream>
 
int main() {
    class base{
    public:
        virtual void vir_func(){std::cout<<"virtual fun : base \n";}
        void func(){std::cout<<"normal fun : base \n";}
    };
    class A: public base{
    public:
        virtual void vir_func(){std::cout<<"virtual fun : A \n";}
        void func(){std::cout<<"normal fun : A \n";}
    };
    class B: public base{
    public:
        virtual void vir_func(){std::cout<<"virtual fun : B \n";}
        void func(){std::cout<<"normal fun : B \n";}
    };
 
    base * Base = new(base);
    base * a = new(A);
    base * b = new(B);
    std::cout << ">>>>>>>>>> normal fun: " << std::endl;
    Base->func();
    a->func();
    b->func();
    std::cout << ">>>>>>>>>> virtual fun: " << std::endl;
    Base->vir_func();
    a->vir_func();
    b->vir_func();
    std::cout << ">>>>>>>>>> convert type: " << std::endl;
    ((A *) b)->vir_func();
    ((A *) b)->func();
    delete Base;
    delete a;
    delete b;
}

>>>>>>>>>> normal fun: 
normal fun : base 
normal fun : base 
normal fun : base 
>>>>>>>>>> virtual fun: 
virtual fun : base 
virtual fun : A 
virtual fun : B 
>>>>>>>>>> convert type: 
virtual fun : B 
normal fun : A 

在上述例子中，我们首先定义了一个基类base，基类有一个名为vir_func的虚函数，和一个名为func的普通成员函数。而类A，B都是由类base派生的子类，并且都对成员函数进行了重载。然后我们定义三个base类型的指针Base、a、b分别指向类base、A、B。
可以看到，当使用这三个指针调用func函数时，调用的都是基类base的函数。而使用这三个指针调用虚函数vir_func时，调用的是指针指向的实际类型的函数。最后，我们将指针b做强制类型转换，转换为A类型，然后分别调用func和vir_func函数，发现普通函数调用的是类A的函数，而虚函数调用的是类B的函数。
以上，我们可以得出结论“当使用类的指针调用成员函数时，普通函数由指针类型决定，而虚函数由指针指向的实际类型决定”。那么，虚函数又是怎么实现的呢？
虚函数的实现过程：通过对象内存中的vptr找到虚函数表vtbl，接着通过vtbl找到对应虚函数的实现区域并进行调用。

三、类的虚表

每个包含了虚函数的类都包含一个虚表。
我们知道，当一个类（A）继承另一个类（B）时，类A会继承类B的函数的调用权。所以如果一个基类包含了虚函数，那么其继承类也可调用这些虚函数，换句话说，一个类继承了包含虚函数的基类，那么这个类也拥有自己的虚表。
我们来看以下的代码。类A包含虚函数vfunc1，vfunc2，由于类A包含虚函数，故类A拥有一个虚表。

class A {
public:  
    virtual void vfunc1();  
    virtual void vfunc2(); 
    void func1();  
    void func2();
private:  
    int m_data1, m_data2;  
};

类A的虚表如图1所示。

虚表是一个指针数组，其元素是虚函数的指针，每个元素对应一个虚函数的函数指针。需要指出的是，普通的函数即非虚函数，其调用并不需要经过虚表，所以虚表的元素并不包括普通函数的函数指针。
虚表内的条目，即虚函数指针的赋值发生在编译器的编译阶段，也就是说在代码的编译阶段，虚表就可以构造出来了。

四、虚表指针

虚表是属于类的，而不是属于某个具体的对象，一个类只需要一个虚表即可。同一个类的所有对象都使用同一个虚表。
为了指定对象的虚表，对象内部包含一个虚表的指针，来指向自己所使用的虚表。为了让每个包含虚表的类的对象都拥有一个虚表指针，编译器在类中添加了一个指针，*__vptr，用来指向虚表。这样，当类的对象在创建时便拥有了这个指针，且这个指针的值会自动被设置为指向类的虚表。

上面指出，一个继承类的基类如果包含虚函数，那个这个继承类也有拥有自己的虚表，故这个继承类的对象也包含一个虚表指针，用来指向它的虚表。

五、动态绑定

说到这里，大家一定会好奇C++是如何利用虚表和虚表指针来实现动态绑定的。我们先看下面的代码。

class A {
public:   
    virtual void vfunc1();  
    virtual void vfunc2();  
    void func1();   
    void func2();
private:  
    int m_data1, m_data2;  
};
class B : public A {
public: 
    virtual void vfunc1();   
    void func1();
private:  
    int m_data3;  
};
class C: public B {
public:  
    virtual void vfunc2();  
    void func2();
private:  
    int m_data1, m_data4;  
};

类A是基类，类B继承类A，类C又继承类B。类A，类B，类C，其对象模型如下图3所示。

由于这三个类都有虚函数，故编译器为每个类都创建了一个虚表，即类A的虚表（A vtbl），类B的虚表（B vtbl），类C的虚表（C vtbl）。类A，类B，类C的对象都拥有一个虚表指针，***__vptr**，用来指向自己所属类的虚表。

• 类A包括两个虚函数，故A vtbl包含两个指针，分别指向A::vfunc1()和A::vfunc2()。
• 类B继承于类A，故类B可以调用类A的函数，但由于类B重写了B::vfunc1()函数，故B vtbl的两个指针分别指向B::vfunc1()和A::vfunc2()。
• 类C继承于类B，故类C可以调用类B的函数，但由于类C重写了C::vfunc2()函数，故C vtbl的两个指针分别指向**B::vfunc1()**（指向继承的最近的一个类的函数）和C::vfunc2()。

虽然图3看起来有点复杂，但是只要抓住“对象的虚表指针用来指向自己所属类的虚表，虚表中的指针会指向其继承的最近的一个类的虚函数”这个特点，便可以快速将这几个类的对象模型在自己的脑海中描绘出来。
非虚函数的调用不用经过虚表，故不需要虚表中的指针指向这些函数。
假设我们定义一个类B的对象bObject。由于bObject是类B的一个对象，故bObject包含一个虚表指针，指向类B的虚表。

int main() {  
    B bObject;  
}

现在，我们声明一个类A的指针p来指向对象bObject。虽然p是基类的指针只能指向基类的部分，但是虚表指针亦属于基类部分，所以 p 可以访问到对象bObject 的虚表指针。bObject的虚表指针指向类B的虚表，所以p可以访问到B vtbl。如图3所示。

int main()   
{   
    B bObject;   
    A *p = & bObject;  
}

当我们使用p来调用vfunc1()函数时，会发生什么现象？

int main()
{  
    B bObject;  
    A *p = & bObject;  
    p->vfunc1();  
}

程序在执行p->vfunc1()时，会发现p是个指针，且调用的函数是虚函数，接下来便会进行以下的步骤。
首先，根据虚表指针p->__vptr来访问对象bObject对应的虚表。虽然指针p是基类A类型，但是**__vptr也是基类的一部分，所以可以通过p->__vptr**可以访问到对象对应的虚表。
然后，在虚表中查找所调用的函数对应的条目。由于虚表在编译阶段就可以构造出来了，所以可以根据所调用的函数定位到虚表中的对应条目。对于p->vfunc1()的调用，B vtbl的第一项即是vfunc1对应的条目。
最后，根据虚表中找到的函数指针，调用函数。从图3可以看到，B vtbl的第一项指向B::vfunc1()，所以**p->vfunc1()实质会调用B::vfunc1()**函数。
如果p指向类A的对象，情况又是怎么样？

int main() 
{  
    A aObject;  
    A *p = &aObject;  
    p->vfunc1();  
}

当aObject在创建时，它的虚表指针__****vptr**已设置为指向**A vtbl**，这样p->__vptr就指向A vtbl。vfunc1在A vtbl对应在条目指向了A::vfunc1()函数，所以p->vfunc1()实质会调用A::vfunc1()函数。
可以把以上三个调用函数的步骤用以下表达式来表示：

(*(p->__vptr)[n])(p)

可以看到，通过使用这些虚函数表，即使使用的是基类的指针来调用函数，也可以达到正确调用运行中实际对象的虚函数。
我们把经过虚表调用虚函数的过程称为动态绑定，其表现出来的现象称为运行时多态。动态绑定区别于传统的函数调用，传统的函数调用我们称之为静态绑定，即函数的调用在编译阶段就可以确定下来了。
那么，什么时候会执行函数的动态绑定？这需要符合以下三个条件。

• 通过指针来调用函数
• 指针upcast向上转型（继承类向基类的转换称为upcast，关于什么是upcast，可以参考本文的参考资料）
• 调用的是虚函数

如果一个函数调用符合以上三个条件，编译器就会把该函数调用编译成动态绑定，其函数的调用过程走的是上述通过虚表的机制。

六、总结

封装，继承，多态是面向对象设计的三个特征，而多态可以说是面向对象设计的关键。C++通过虚函数表，实现了虚函数与对象的动态绑定，从而构建了C++面向对象程序设计的基石。