C++中虛函數(shù)的示例分析

這篇文章主要為大家展示了“C++中虛函數(shù)的示例分析”，內(nèi)容簡而易懂，條理清晰，希望能夠幫助大家解決疑惑，下面讓小編帶領(lǐng)大家一起研究并學習一下“C++中虛函數(shù)的示例分析”這篇文章吧。

虛函數(shù)的定義

虛函數(shù)：就是在基類的成員函數(shù)前加關(guān)鍵字virtual(即被virtual關(guān)鍵字修飾的成員函數(shù))，并在一個或多個派生類中被重新定義的成員函數(shù)；虛函數(shù)：就是在編譯的時候不確定要調(diào)用哪個函數(shù)，而是動態(tài)決定將要調(diào)用哪個函數(shù)。它的作用就是為了能讓這個函數(shù)在它的子類里面可以被重載，這樣的話，編譯器就可以使用后期綁定來達到多態(tài)了，也就是用基類的指針來調(diào)用子類的這個函數(shù)；虛函數(shù)的作用：在于用專業(yè)術(shù)語來解釋就是實現(xiàn)多態(tài)性，多態(tài)性是將接口與實現(xiàn)進行分離，通過指向派生類的基類指針或引用，訪問派生類中同名覆蓋成員函數(shù)；用形象的語言來解釋就是實現(xiàn)以共同的方法，但因個體差異，而采用不同的策略；虛函數(shù)用法格式為：virtual 函數(shù)返回類型 函數(shù)名（參數(shù)表） {函數(shù)體}；

虛函數(shù)在 c++ 的繼承體系中是一個非常重要概念，讓我們可以在子類中復寫父類的方法。學到這里我還不知道在 c++ 中是否有抽象類的概念，那么學習過虛函數(shù)我們就知道通過（純）虛函數(shù)可以實現(xiàn) java 中的抽象類，

要實現(xiàn)虛函數(shù)需要兩個步驟進行修改

• 在父類中，在函數(shù)GetName()前面加上virtual

• 在子類中，在函數(shù)GetName()后面加上override

• 
  

再次運行編譯運行程序就得到我們想要結(jié)果了

Shap rectangle

下面開始正文

virtual 函數(shù)

示例代碼如下：

#include <stdio.h>
class base {
public:
 virtual void name(){printf("base\n");};
 virtual ~base(){};
};
class plus: public base {
public:
 virtual void name(){printf("plus\n");};
};
void fv(base b){
 b.name();
}
void fp(base &b){
 b.name();
}
int main(){
 base b;
 plus p;
 fv(b);
 fv(p);
 fp(b);
 fp(p);
 return 0;
}

程序輸出：

base base base plus

這里涉及到一個c++知識點-- 向上強制轉(zhuǎn)換 ：將派生類引用或指針轉(zhuǎn)換為基類引用或指針。該規(guī)則使得公有繼承不需要進行顯示類型轉(zhuǎn)化，它是is-a 規(guī)則的一部分。

相反的過程被稱為-- 向下強制轉(zhuǎn)換 ，向下強制類型轉(zhuǎn)換必須是顯示的。因為派生類可能對基類進行拓展，新增的成員變量和函數(shù)不能應(yīng)用于基類。

隱式向上強制轉(zhuǎn)換使得基類指針或引用可以指向基類對象或派生類對象，因此需要 動態(tài)聯(lián)編 。C++ 使用虛成員函數(shù)函數(shù)滿足這種需求。

動態(tài)聯(lián)編

編譯器在編譯時要將調(diào)用的函數(shù)對應(yīng)相應(yīng)的可執(zhí)行代碼，此過程為 函數(shù)聯(lián)編（binding） ，在C++因為函數(shù)重載的原因，需要查看調(diào)用函數(shù)名和傳入?yún)?shù)才能確認是哪一個函數(shù)。在編譯的時候可以確認使用哪一個函數(shù)的聯(lián)編被稱為 靜態(tài)聯(lián)編 或 早期聯(lián)編 。

同時因為virtual函數(shù)的存在，編譯工作變得更加復雜，如示例函數(shù)所示，具體使用的哪個類型對象不能確認。為此編譯器必須生成一些代碼，使得在程序運行的時候選擇正確的虛函數(shù)，這被稱為 動態(tài)聯(lián)編 ，又被稱為 晚期聯(lián)編 。

為了驗證上面所述我們可以做一組對照，首先我們用 gnu 工具 nm 來查看 sysbols,可以發(fā)現(xiàn)如下的部分:

$ nm virtual.exe | grep -c -E "plus|base"

然后我們改造一下上面的代碼：

class base {
public:
 void name(){printf("base\n");}; // 修改
 virtual ~base(){};
};
class plus: public base {
public:
 void name(){printf("plus\n");}; // 修改
};

編譯后重新執(zhí)行 nm 命令：

nm virtual_.exe | grep -c -E "plus|base" 45

經(jīng)過比對后我們會發(fā)現(xiàn)修改后缺少了以下symbols：

000000000040509c p .pdata$_ZN4plus4nameEv 0000000000402e00 t .text$_ZN4plus4nameEv 00000000004060a0 r .xdata$_ZN4plus4nameEv 0000000000402e00 T _ZN4plus4nameEv

動態(tài)聯(lián)編在效率上要低于靜態(tài)聯(lián)編，在C++ 中默認使用靜態(tài)聯(lián)編。C++ 之父strousstup 認為 C++ 指導原則之一是不要為不使用的特性付出代價（cpu、memory等）。

所以在派生類不需要去重寫基類函數(shù)時，則不要將其聲明為virtual函數(shù)。

virtual 函數(shù)工作原理

虛函數(shù)表示每一個使用C++的開發(fā)者耳熟能詳?shù)臇|西，有一個道經(jīng)典的試題如下：

#include <stdio.h>
class base
{
public:
 base(){};
 virtual ~base() { printf("base\n"); };
};
class plus : public base
{
public:
 plus(/* args */){};
 virtual ~plus() { printf("plus\n"); };
};
class plus2 : public base
{
public:
 plus2(/* args */){};
 ~plus2() { printf("plus2\n"); };
};
class plus3 : public base
{
public:
 virtual void name() { printf("plus3"); };
 plus3(/* args */){};
 virtual ~plus3() { printf("plus3\n"); };
};
class empty
{
private:
 /* data */
public:
 empty(/* args */){};
 ~empty() { printf("empty\n"); };
};
int main()
{
 base b;
 printf("base: %d\n", sizeof(b));
 plus p;
 printf("plus: %d\n", sizeof(p));
 plus2 p2;
 printf("plus2: %d\n", sizeof(p2));
 plus3 p3;
 printf("plus3: %d\n", sizeof(p3));
 empty e;
 printf("empty: %d\n", sizeof(e));
}

其最終輸出的結(jié)果如下：

base: 8 plus: 8 plus2: 8 plus3: 8 empty: 1 empty plus3 base plus2 base plus base base

ps： 由于操作系統(tǒng)位數(shù)的影響結(jié)果可能有變動，在x64位系統(tǒng)中指針內(nèi)存分配大小為 8 字節(jié)，x86 系統(tǒng)中指針內(nèi)存分配大小為 4。

我們可以清楚的看到，只要存在虛函數(shù)不論是成員函數(shù)異或是析構(gòu)函數(shù)，是在類中定義或繼承都會有包含一個虛函數(shù)表。而這里的8字節(jié)就是分配給了虛函數(shù)表的指針。

我們可以通過gnu tool gdb 指令進行驗證,在觸發(fā)斷點之后通過 info local 命令去查看：

(gdb) info locals
b = {_vptr.base = 0x555555755d20 <vtable for base+16>}
p = {<base> = {_vptr.base = 0x555555755d00 <vtable for plus+16>}, <No data fields>}
p2 = {<base> = {_vptr.base = 0x555555755ce0 <vtable for plus2+16>}, <No data fields>}
p3 = {<base> = {_vptr.base = 0x555555755cb8 <vtable for plus3+16>}, <No data fields>}
e = {<No data fields>}

我們可以看到每一個對象內(nèi)都有一個指針指向vtable。

當一個基類聲明一個虛函數(shù)后，在創(chuàng)建對象的時候會將該函數(shù)地址加入虛函數(shù)列表中，如果派生類重寫了該函數(shù)，則會用新函數(shù)地址替換，如果其定義了新函數(shù)，則會將新函數(shù)的指針加入虛表中。

示例代碼如下：

#include <stdio.h>
class base
{
public:
 base(){};
 virtual const char* feature(){return "test";};
 virtual void name() {printf("base\n");}
 virtual ~base() { printf("~base\n"); };
};
class plus : public base
{
public:
 plus(/* args */){};
 virtual void name() {printf("plus\n");}
 virtual void parant() {printf("base\n");}
 ~plus() { printf("plus\n"); };
};
int main()
{
 base b;
 printf("base: %ld\n", size_t(&b));
 plus p;
 printf("plus: %ld\n", size_t(&p));
}

仍然用 gdb 來驗證，斷點后通過 info vtbl 命令查看：

(gdb) info vtbl p
vtable for 'plus' @ 0x555555755d08 (subobject @ 0x7fffffffe010):
[0]: 0x555555554b4a <base::feature()>
[1]: 0x555555554bf8 <plus::name()>
[2]: 0x555555554c30 <plus::~plus()>
[3]: 0x555555554c66 <plus::~plus()>
[4]: 0x555555554c14 <plus::parant()>
(gdb) info vtbl b
vtable for 'base' @ 0x555555755d40 (subobject @ 0x7fffffffe008):
[0]: 0x555555554b4a <base::feature()>
[1]: 0x555555554b5c <base::name()>

當調(diào)用虛函數(shù)的時候，會在虛函數(shù)表中尋找對應(yīng)的函數(shù)地址，因此它每一次調(diào)用動會多做一步匹配，相比靜態(tài)聯(lián)編的非虛函數(shù)要更加耗時。

需要注意的是構(gòu)造函數(shù)不能聲明為虛函數(shù)，而如果一個類作為除非不作為基類，否則建議聲明一個虛析構(gòu)函數(shù)。

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