C++ 多态虚函数的底层原理深入理解

下面我将为你详细讲解 C++ 多态虚函数的底层原理深入理解。

什么是多态？

多态是面向对象编程中的一个核心概念，它指的是通过基类指针或引用调用派生类对象的方法，从而实现了不同的行为。这样同一类型的实体在不同情况下会有不同的行为。

C++ 中实现多态的核心是虚函数。在 C++ 中，基类中的虚函数可以被派生类所覆盖，从而允许在运行时动态绑定函数。

虚函数表（VTable）

虚函数表，即 VTable，是实现 C++ 多态特性的关键。 每个类都有自己的虚函数表，其中存储着虚函数的地址。

当一个对象被创建时，会在其内部存储一个指向类的虚函数表的指针。这个指针在对象的内存布局中是一个指针大小的空间，通常称之为虚函数指针。

在调用虚函数时，程序根据对象的虚函数指针中存储的虚函数表的地址找到对应的虚函数地址，再调用该函数。

下面是一个简单的示例说明：

class Base {
public:
    virtual void foo() {
        std::cout << "Base::foo()" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void foo() override {
        std::cout << "Derived::foo()" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base* p = new Derived();
    p->foo();
    delete p;
    return 0;
}

在上述代码中，Base 类中的 foo 函数是虚函数，因此可以被派生类 Derived 覆盖。在 main 函数中，通过基类指针 p 指向一个 Derived 对象，并调用 foo 函数。由于 p 是一个基类指针，因此它指向 Derived 对象的虚函数指针将会指向 Derived 的虚函数表，从而调用 Derived 的 foo 函数。

纯虚函数和抽象类

C++ 中的纯虚函数和抽象类也是多态的重要体现。抽象类是一种无法被实例化的类，其纯虚函数需要子类进行实现。

具体来说，抽象类是指含有纯虚函数的类。纯虚函数是通过在函数声明的后面加上 "= 0" 来定义的。抽象类不能被直接实例化，但可以通过基类指针或引用指向其派生类的对象，从而实现多态。

下面是一个示例说明：

class Shape {
public:
    virtual ~Shape() {}
    virtual double area() const = 0;
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(double width, double height) : width_(width), height_(height) {}

    double area() const override {
        return width_ * height_;
    }

private:
    double width_;
    double height_;
};

class Circle : public Shape {
public:
    Circle(double radius) : radius_(radius) {}

    double area() const override {
        return 3.14 * radius_ * radius_;
    }

private:
    double radius_;
};

int main() {
    Shape* shapes[] = { new Rectangle(2, 3), new Circle(1) };
    for (auto shape : shapes) {
        std::cout << "Area: " << shape->area() << std::endl;
    }
    for (auto shape : shapes) {
        delete shape;
    }
    return 0;
}

在上述代码中，Shape 是一个抽象类，其中的 area 函数是一个纯虚函数，Rectangle 和 Circle 都继承自 Shape。在 main 函数中，我们创建了一个 Shape 指针数组，并使用其指向不同的派生类对象，并调用了它们的 area 函数。此外，通过 Shape 的虚析构函数来实现了多态的正确销毁对象的功能。

这就是 C++ 多态虚函数的底层原理和其深入理解的完整攻略。