C++ 虚函数及虚函数表详解

C++虚函数详解

虚函数概念

虚函数是一个特殊的类成员函数，它可以在派生类中进行重写，并且在运行时动态决定调用哪个版本。虚函数可以实现运行时的多态性，是面向对象编程的重要特性。

在C++中，我们通常使用关键字 virtual 来声明一个虚函数，如下所示：

class Shape {
public:
   virtual void draw() {
      std::cout << "Drawing Shape" << std::endl;
   }
};

class Line : public Shape {
public:
   void draw() override {
      std::cout << "Drawing Line" << std::endl;
   }
};

class Circle : public Shape {
public:
   void draw() override {
      std::cout << "Drawing Circle" << std::endl;
   }
};

int main() {
   Shape *shape;
   Line line;
   Circle circle;

   shape = &line;
   shape->draw(); // Drawing Line

   shape = &circle;
   shape->draw(); // Drawing Circle

   return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了三个类 Shape、Line 和 Circle，其中 Shape 类定义了一个虚函数 draw()，它被重写了。Line 和 Circle 类在继承 Shape 类的同时，也重写了 Shape 类的虚函数 draw()。在 main() 函数中，我们创建了一个指针 shape，并将它分别指向 Line 类和 Circle 类的对象。当我们调用 shape->draw() 函数时，程序会自动判断当前 shape 指针指向的对象类型，并调用该对象中的 draw() 函数，实现了多态性的效果。

虚函数表

C++中的虚函数通过虚函数表来实现，每个包含虚函数的类都会有一个虚函数表，其中存储着该类所有虚函数的地址。在对象被创建时，每个对象都会有一个指向虚函数表的指针，这个指针通常被称为虚函数指针。当一个类被派生时，虚函数表也会被随之继承，并被其派生类所共享。

当程序调用一个虚函数时，实际调用的是虚函数表中存储的函数地址。因为虚函数表不同于一般的静态表，它需要在程序运行期间动态生成并填充，以便实现多态性。下面是一个简单的示例，说明虚函数表的作用。

#include<iostream>

class Shape {
public:
   virtual void draw() {
      std::cout << "Drawing Shape" << std::endl;
   }
};

void printVTable(void *obj_ptr) {
   size_t *vptr = *(size_t **)obj_ptr;
   std::cout << "Address of virtual table: " << vptr << std::endl;
   std::cout << "         First function: " << (void *)vptr[0] << std::endl;
   std::cout << "        Second function: " << (void *)vptr[1] << std::endl;
   std::cout << "         Third function: " << (void *)vptr[2] << std::endl;
}

class Line : public Shape {
public:
   void draw() override {
      std::cout << "Drawing Line" << std::endl;
   }
};

int main() {
   Shape *shape;
   Line line;
   shape = &line;
   shape->draw();

   printVTable(&line);

   return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个 Shape 类，并在其中定义了一个虚函数 draw()。我们再定义一个派生类 Line，它重写了 Shape 类的虚函数 draw()。在 main() 函数中，我们创建了一个指针 shape，并将它指向 Line 类的一个对象。当我们调用 shape->draw() 函数时，程序会输出 "Drawing Line"。

接着，我们调用了函数 printVTable(&line)，打印出了 Line 类的虚函数表。由输出结果可知，虚函数表中存储了三个函数地址，其中包括了 Line 类的 draw() 函数的地址。

总结

C++中的虚函数实现了面向对象编程中重要的特性——多态性。虚函数通过虚函数表来实现，在程序运行期间动态决定调用哪个函数。虚函数的实现在 C++ 程序设计中具有重要意义，它是实现多态性的重要手段之一。