探秘C++虚函数：解密多态的奥秘

2024-04-23 AI让生活更美好

虚函数—作为面向对象编程的核心特性之一，虚函数不仅在代码中发挥着重要作用，更是实现多态性的关键所在。

什么是虚函数？

在 C++ 中，虚函数是为了实现运行时多态性而设计的特殊类型的函数。通过在基类中声明虚函数，并在派生类中进行重写，可以在程序运行时根据实际对象类型确定调用的函数版本。这为我们提供了一种灵活的方式来处理继承关系，使得代码更具可扩展性和可维护性。

虚函数表的作用

虚函数表（virtual function table，简称 Vtable）是实现虚函数的重要机制之一。每个类（包括含有虚函数的类）都会生成一个对应的虚函数表，其中存储了该类中所有虚函数的地址。

当对象被创建时，会分配一个指向其类的虚函数表的指针（虚指针）。通过这个指针，程序能够在运行时确定调用的函数版本，实现了动态绑定。注意与静态绑定混淆重载-静态绑定（链接）。

虚函数表的性质

每个类都有自己的虚函数表：当一个类中包含至少一个虚函数时，编译器会为该类生成一个虚函数表。
虚函数表中存储的是函数指针：虚函数表中的每个条目都是一个指向对应虚函数的函数指针。
对象含有指向其类的虚函数表的指针：每个对象都含有一个指向其类的虚函数表的指针，通过这个指针实现动态绑定。

派生类的虚函数表包含基类的虚函数表内容，并扩展新函数：派生类的虚函数表通常是在基类的虚函数表的基础上进行扩展的。

示例代码解释让我们通过一段简单的代码来说明虚函数表的工作原理：

#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 func3() {
        std::cout << "Derived::func3()" << std::endl;
    }
};

int mAIn() {
    Base* ptr = new Derived();
    ptr->func1(); // 动态绑定
    ptr->func2(); // 动态绑定
    delete ptr;
    return 0;
}

在这个示例中，我们创建了一个基类 Base 和一个派生类 Derived，后者重写了基类中的 func1()。

在 main() 函数中，我们创建了一个基类指针指向派生类对象，并通过该指针调用了两个虚函数 func1() 和 func2()。由于 func1() 是虚函数，并且对象是 Derived 类型，所以会动态绑定到 Derived::func1()。而 func2() 在派生类中没有被重写，所以会绑定到基类的版本。

虚函数表的大小

先看一个例子（操作环境64位系统）

//先看空类大小
class test {

};
//只有一个虚函数的类大小
class test1 
{
  public:
    virtual void function()
{
    std::cout << "function()" << std::endl;
    }
};
//两个虚函数类的大小
class test2 
{
  public:
    virtual void function1()
{
    std::cout << "function1()" << std::endl;
    }
    
    virtual void function2()
{
    std::cout << "function2()" << std::endl;
    }
};

int main()
{
  std::cout<<"sizeof test: "<<sizeof(test)<<std::endl;
  std::cout<<"sizeof test1: "<<sizeof(test1)<<std::endl;
  std::cout<<"sizeof test2: "<<sizeof(test2)<<std::endl;
  return 0;
}

类在内存中记录虚函数是以一个指针记录的，并且该指针指向一个数组，数组中装着的是虚函数的地址。同时，经过实验，64bit的编译器下，虚函数表的指针大小是8字节。