虚函数

0、前言

从实现的角度来讲,多态可以分为两类:编译时的多态性和运行时的多态性。前者是通过静态联编来实现的,比如C++中通过函数的重载和运算符的重载。后者则是通过动态联编来实现的,在C++中运行时的多态性主要是通过虚函数来实现的。

1、概念

虚函数:在基类中声明为virtual,并在一个或多个派生类中被重新定义的成员函数。

存在虚函数的类都有一个一维的虚函数表叫做虚表。类的对象有一个指向虚表开始的虚指针。
虚表是和类对应的,虚表指针是和对象对应的。

2、作用

虚函数的作用就是实现多态性,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。

3、示例程序

源程序

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
	void Print()
	{
		cout<<"This is A"<<endl;
	}
};

class B:public A
{
public:
	void Print()
	{
		cout<<"This is B"<<endl;
	}
};

int main()
{
	A a;
	B b;
	a.Print();
	b.Print();

	getchar();
	return 0;
}
输出结果:


把main函数里的代码改成如下这样:

int main()
{
	A a;
	B b;
	A *pA = &a;
	A *pB = &b;
	pA->Print();
	pB->Print();

	getchar();
	return 0;
}
结果为:



如果我们把class A改成下面这样,即在Print函数前面加virtual修饰

class A
{
public:
	virtual void Print()
	{
		cout<<"This is A"<<endl;
	}
};
则输出为:

这时,class A的成员函数Print()已经变成了虚函数,而class B的Print()也成了虚函数。

也就是说:在把基类的成员函数设为virtual后,其派生类的相应的函数也会自动变为虚函数。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(语法上可加可不加,不加的话编译器会自动加上,但为了阅读方便和规范性,建议加上)。

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。

4、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(函数名相同、参数列表完全一致、返回值类型相关)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。

5、使用虚函数的注意事项:

(1)使用虚函数,派生类必须是基类公有派生的;
(2)定义虚函数,不一定要在最高层的类中,而是看在需要动态多态性的几个层次中的最高层类中声明虚函数;
(3)一个虚函数无论被公有继承了多少次,它仍然是虚函数;
(4)虚函数必须是所在类的成员函数,而不能是友元函数,也不能是静态成员函数。因为虚函数调用要靠特定的对象来决定该激活哪一个函数;
(5)构造函数不能是虚函数,但析构函数可以是虚函数;

6、抽象类

如果一个类中至少有一个纯虚函数,那么就称该类为抽象类。
注意:
(1)抽象类只能作为其他类的基类来使用,不能建立抽象类对象;
(2)不允许从具体类中派生出抽象类(不包含纯虚函数的普通类);
(3)抽象类不能用作函数的参数类型、返回类型和显式转化类型;
(4)如果派生类中没有定义纯虚函数的实现,而只是继承成了基类的纯虚函数。那么该派生类仍然为抽象类。一旦给出了对基类中虚函数的实现,那么派生类就不是抽象类了,而是可以建立对象的具体类;

7、虚函数实现多态的原理

源代码:

#include <iostream>
#include <string>
#include <Windows.h>

using namespace std;

class A
{
public:
	virtual void fun() {cout<<"A::fun()"<<endl;}
	virtual void fun2(){cout<<"A::fun2()"<<endl;}
	void A_NonVirtual(){}
	
private:
	int num_A;

};

class B:public A
{
public:
	void fun() {cout<<"B::fun()"<<endl;}
	void fun2(){cout<<"B::fun2()"<<endl;}
	void B_NonVirtual(){}
	
private:
	int num_B;
};

int main()
{
	A a;
	B b;

	A *p = NULL;

	p = &a;
	p->fun();

	p = &b;
	p->fun();

	system("pause");
	return 0;
}

程序运行结果:


对象a,和b的内存布局如下图所示:


当执行p = &a;p->fun();时,将从对象a的虚函数表中查找fun函数。也即是A::fun();

当执行p = &b;p->fun();时,将从对象b的虚函数表中查找fun函数。也即是B::fun();

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