【C++入门】虚函数与多态

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前言

C++ 是一种功能强大的编程语言，以其面向对象编程（OOP）特性而闻名。虚函数和多态是 C++ 面向对象编程中的两个重要概念，它们使得代码更灵活、更具扩展性。本篇文章将介绍虚函数与多态，包括其定义、使用方法及其在实际编程中的作用。

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虚函数是什么？

虚函数是一种在基类中使用 virtual 关键字声明的函数，它允许在运行时通过基类指针或引用调用子类的重写版本。这种机制使得 C++ 能够实现多态性。

如何使用虚函数？

在基类中声明虚函数，并在子类中重写该虚函数。基类指针或引用可以指向子类对象，并在运行时调用子类的重写版本。

#include <iostream>class Base {
public:virtual void show() {std::cout << "Base show" << std::endl;}
};class Derived : public Base {
public:void show() override {std::cout << "Derived show" << std::endl;}
};int main() {Base* ptr = new Derived();ptr->show();  // 调用的是 Derived 的 show 方法delete ptr;return 0;
}

纯虚函数是什么？

纯虚函数是一种没有实现的虚函数，必须在派生类中实现。它使用 = 0 语法来声明。声明纯虚函数的类称为抽象类，不能直接实例化。

class AbstractBase {
public:virtual void pureVirtualFunction() = 0; // 纯虚函数
};class ConcreteDerived : public AbstractBase {
public:void pureVirtualFunction() override {std::cout << "ConcreteDerived implementation of pureVirtualFunction" << std::endl;}
};int main() {// AbstractBase obj; // 错误，不能实例化抽象类ConcreteDerived obj;obj.pureVirtualFunction(); // 调用派生类实现的纯虚函数return 0;
}

虚函数与普通函数的区别

1. 调用时机：

   • 普通函数：在编译时确定调用的函数。
   • 虚函数：在运行时确定调用的函数（动态绑定）。

2. 多态性：

   • 普通函数：不支持多态性。
   • 虚函数：支持多态性，可以通过基类指针或引用调用派生类的重写版本。

虚表

虚表是什么？

在 C++ 中，虚表（vtable）是一个由编译器维护的数据结构，用于实现虚函数的动态绑定。当一个类中包含虚函数时，编译器会为这个类创建一个虚表。虚表是一个指针数组，其中每个指针指向该类的虚函数实现。当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序会通过虚表找到实际要调用的函数。

每个包含虚函数的类对象都有一个隐藏的指针，称为虚表指针（vptr），它指向该对象所属类的虚表。因此，通过虚表指针，程序可以在运行时动态地确定调用哪个函数。

含有虚表的类内存结构图

有下面这样的两个类：

class Base {
public:virtual void func1();int baseData;
};class Derived : public Base {
public:void func1() override;void func2();int derivedData;
};

它的内存结构图如下

+-----------------+
| Derived object  |
+-----------------+
| vptr ---------->+-------------------------+
| derivedData     |                         |
+-----------------+                         |
| baseData        |                         |
+-----------------+                         ||||+-----------------+   +-----------------+| Virtual Table   |   | Virtual Table   || for Derived     |   | for Base        |+-----------------+   +-----------------+| func1()         |   | func1()         || Derived::func1  |   | Base::func1     |+-----------------+   +-----------------+| func2()         || Derived::func2  |+-----------------+

如何找到虚表的地址？

找到虚表地址的方法涉及使用一些底层的 C++ 技巧和对内存布局的理解。以下是一个简单的示例代码，用于展示如何找到一个类对象的虚表地址并打印虚表中的内容。

示例代码

#include <iostream>class Base {
public:virtual void func1() {std::cout << "Base::func1" << std::endl;}virtual void func2() {std::cout << "Base::func2" << std::endl;}
};class Derived : public Base {
public:void func1() override {std::cout << "Derived::func1" << std::endl;}void func2() override {std::cout << "Derived::func2" << std::endl;}
};typedef void(*FuncPtr)();void printVTable(FuncPtr* vtable) {std::cout << "Virtual Table Address: " << vtable << std::endl;for (int i = 0; vtable[i] != nullptr; ++i) {std::cout << "Function " << i << " address: " << vtable[i] << std::endl;}
}int main() {Derived obj;// 获取虚表指针的地址FuncPtr* vptr = *reinterpret_cast<FuncPtr**>(&obj);printVTable(vptr);return 0;
}

代码解释

1. 类定义：

   • Base 类中定义了两个虚函数 func1 和 func2。
   • Derived 类继承自 Base 并重写了这两个虚函数。

2. 函数指针类型：

   • typedef void(*FuncPtr)(); 定义了一个函数指针类型 FuncPtr，用于指向虚函数。

3. 打印虚表函数：

   • printVTable 函数接受一个虚表指针数组并打印虚表地址和其中每个函数的地址。

4. main 函数：

   • 创建一个 Derived 类对象 obj。
   • 使用 reinterpret_cast 将对象的地址转换为虚表指针数组的指针，从而获取虚表地址。
   • 调用 printVTable 函数打印虚表内容。

多态是什么？

多态性是面向对象编程的一种特性，它允许通过基类指针或引用在运行时调用不同子类的重写方法。多态性使得代码更灵活和可扩展。

如何使用多态？

通过基类指针或引用指向子类对象，并调用基类中的虚函数。在运行时，根据实际指向的对象类型调用相应的重写方法。

#include <iostream>class Animal {
public:virtual void sound() {std::cout << "Some generic animal sound" << std::endl;}
};class Dog : public Animal {
public:void sound() override {std::cout << "Bark" << std::endl;}
};class Cat : public Animal {
public:void sound() override {std::cout << "Meow" << std::endl;}
};void makeSound(Animal* animal) {animal->sound(); // 根据实际对象类型调用相应的 sound 方法
}int main() {Dog dog;Cat cat;makeSound(&dog); // 输出 BarkmakeSound(&cat); // 输出 Meowreturn 0;
}

为什么要使用多态？

1. 代码复用：多态性允许通过统一的接口调用不同子类的方法，提高代码的复用性和可维护性。
2. 灵活性：多态性使得程序在运行时根据实际情况调用不同的方法，提高了代码的灵活性和扩展性。
3. 可扩展性：可以在不修改已有代码的情况下添加新的子类，并在运行时通过多态性使用它们。

多态遇到的所有情况

1. 通过基类指针或引用调用子类方法：

   • 使用基类指针或引用指向子类对象，调用虚函数实现多态性。

2. 对象切片问题：

   • 如果将子类对象赋值给基类对象，会发生对象切片问题，子类的附加属性和方法会被切掉。

   Base baseObj = derivedObj; // 对象切片，丢失 Derived 部分
   

3. 多重继承中的多态：

   • C++ 支持多重继承，可以通过虚继承解决多重继承中的菱形继承问题，使多态性依然有效。

4. 虚析构函数：

   • 在有多态的情况下，基类通常需要一个虚析构函数，以确保通过基类指针删除派生类对象时，正确调用派生类的析构函数。

   class Base {
   public:virtual ~Base() {std::cout << "Base destructor" << std::endl;}
   };class Derived : public Base {
   public:~Derived() {std::cout << "Derived destructor" << std::endl;}
   };int main() {Base* ptr = new Derived();delete ptr;  // 正确调用 Derived 的析构函数return 0;
   }
   

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总结

虚函数和多态是 C++ 中面向对象编程的重要特性，通过虚函数可以实现多态性，使得代码更加灵活和可扩展。虚函数允许在运行时通过基类指针或引用调用子类的重写方法，而纯虚函数则强制派生类实现某些方法，使得抽象类无法实例化。多态性使得程序可以在运行时根据实际对象类型调用相应的方法，提升了代码的复用性、灵活性和可扩展性。然而，在使用多态时，需要注意对象切片问题和虚析构函数的使用，以确保正确的对象管理和方法调用。掌握虚函数和多态的概念和应用，对于提高 C++ 编程水平和开发效率至关重要。