调用基类的纯虚函数，如何知道纯虚函数会调用哪个派生类（子类）中的实现。

在 C++ 中，调用基类的纯虚函数实际上是通过运行时多态性来决定调用哪一个派生类的实现。这种机制是通过虚函数表（vtable）和虚函数指针（vptr）实现的。下面我们来详细探讨一下这个过程。

虚函数表和虚函数指针

1. 虚函数表（vtable）:

   • 每个包含虚函数的类（包括纯虚函数）都会有一个虚函数表。虚函数表是一个指针数组，每个指针指向类的虚函数的具体实现。
   • 虚函数表是编译器在编译时生成的，并且对于同一个类的所有对象是共享的。

2. 虚函数指针（vptr）:

   • 每个对象有一个指向其类的虚函数表的指针，称为虚函数指针（vptr）。
   • 当一个对象被创建时，其 vptr 被初始化为指向该对象所属类的虚函数表。

当调用一个虚函数时，程序会通过对象的 vptr 找到相应的 vtable，并在 vtable 中找到该函数的地址，然后进行调用。这种机制允许程序在运行时根据对象的实际类型调用适当的函数实现，这就是多态性。

调用纯虚函数的过程

假设你有一个基类 Base 和几个派生类 Derived1 和 Derived2，基类 Base 定义了一个纯虚函数 doSomething。以下是如何知道调用哪个派生类实现的步骤：

对于 obj2->doSomething()，类似的过程会发生，但它的 vptr 指向 Derived2 的 vtable，最终调用 Derived2 中 doSomething 的实现。

运行时确定派生类的实现

这是因为 C++ 的多态性允许基类指针（或引用）指向派生类对象。调用虚函数时，实际调用的函数实现是通过对象的动态类型（即它真正的派生类类型）来确定的。这种类型是在运行时决定的，而不是编译时。

代码示例

下面是一个完整的代码示例，展示了上述过程：

1. 定义类和函数:

   class Base {
   public:virtual void doSomething() = 0; // 纯虚函数
   };class Derived1 : public Base {
   public:void doSomething() override {std::cout << "Derived1 implementation" << std::endl;}
   };class Derived2 : public Base {
   public:void doSomething() override {std::cout << "Derived2 implementation" << std::endl;}
   };
   

2. 实例化派生类对象:

   Base* obj1 = new Derived1();
   Base* obj2 = new Derived2();
   

3. 调用虚函数:

   obj1->doSomething(); // 调用 Derived1 的实现
   obj2->doSomething(); // 调用 Derived2 的实现
   

 

决定调用哪个派生类实现的过程

当你调用 obj1->doSomething() 时，以下过程发生：

1. 查找 vptr:

   • obj1 是指向 Derived1 对象的基类指针。
   • 程序通过 obj1 找到它的 vptr，该 vptr 指向 Derived1 的 vtable。

2. 查找 vtable:

   • 程序查找 Derived1 的 vtable，这个表包含 doSomething 的地址。

3. 调用函数:

   • 程序通过 vtable 获取 doSomething 的地址，然后调用这个地址处的函数，即 Derived1 中 doSomething 的实现。

对于 obj2->doSomething()，类似的过程会发生，但它的 vptr 指向 Derived2 的 vtable，最终调用 Derived2 中 doSomething 的实现。

运行时确定派生类的实现

这是因为 C++ 的多态性允许基类指针（或引用）指向派生类对象。调用虚函数时，实际调用的函数实现是通过对象的动态类型（即它真正的派生类类型）来确定的。这种类型是在运行时决定的，而不是编译时。

代码示例

下面是一个完整的代码示例，展示了上述过程：

#include <iostream>class Base {
public:virtual void doSomething() = 0; // 纯虚函数
};class Derived1 : public Base {
public:void doSomething() override {std::cout << "Derived1 implementation" << std::endl;}
};class Derived2 : public Base {
public:void doSomething() override {std::cout << "Derived2 implementation" << std::endl;}
};int main() {Base* obj1 = new Derived1();Base* obj2 = new Derived2();obj1->doSomething(); // 输出: Derived1 implementationobj2->doSomething(); // 输出: Derived2 implementationdelete obj1;delete obj2;return 0;
}

在这个示例中，通过基类指针调用 doSomething 时，程序根据实际的派生类类型调用相应的实现，这展示了 C++ 中的运行时多态性。

通过调试查看

如果你使用调试器（如 gdb），你可以在调用虚函数前设置断点，并逐步查看调用过程。你会看到程序通过 vptr 查找 vtable，然后调用适当的函数实现。这是验证多态行为的一个好方法。

总结

• vptr 和 vtable: vptr 指向对象的 vtable，通过它们在运行时决定调用哪个派生类的实现。
• 多态性: 基类指针或引用调用虚函数时，实际调用的是派生类的实现，这通过动态绑定实现。
• 调试和分析: 使用调试器可以更深入地观察这种运行时行为。