一篇文章彻底弄懂C++虚函数的实现机制

介绍

C++的虚函数是实现多态的重要途径，本文将深入浅出地介绍C++虚函数的实现机制，希望能给大家带来一些帮助。

基本概念

静态绑定和动态绑定

在C++中，有两种绑定方式，即静态绑定（也称为静态链接）和动态绑定（也称为动态链接）。

静态绑定是指在编译期间确定函数的调用地址。这种方式的优点是执行速度快，缺点是不支持多态。

动态绑定是指在运行时确定函数的调用地址。这种方式支持多态，但执行速度稍慢。

多态

多态是指同一函数调用，由于对象不同可能会产生不同的行为。C++中的多态性可通过虚函数实现。经过虚函数声明的函数，可以在程序执行时动态地调用。

虚函数

C++中的虚函数是在基类中声明的，用virtual关键字修饰。在派生类中，如果定义了与基类同名、同参数列表的虚函数，则该函数会覆盖基类中的虚函数。

虚函数的调用有两种方式：静态绑定和动态绑定。静态绑定是指在编译期间确定虚函数的调用地址，适用于基类和派生类对象的普通函数调用；动态绑定是指在运行时根据对象的实际类型确定虚函数的调用地址，适用于基类指针或引用的虚函数调用。

虚函数的实现机制

在C++中，虚函数的实现机制主要基于虚函数表和虚函数指针。

虚函数表

每个包含虚函数的类都有一个虚函数表，用于存储该类所有虚函数的地址。虚函数表是一个只读的数据表，存储在程序的数据区，不同对象共享同一张虚函数表。

每个类只有一个虚函数表，而不是每个对象都有一个虚函数表。在类的构造函数中，将会产生一个隐式的指针vptr，并被初始化为虚函数表的地址。当派生类对基类虚函数进行覆盖时，基类中的虚函数表被派生类虚函数表所替换。

虚函数指针

每个包含虚函数的对象都有一个虚函数指针，用于指向该对象所属类的虚函数表。虚函数指针指向的虚函数表是在编译期间确定的，因此属于静态绑定。

虚函数调用

静态绑定的虚函数调用和普通的函数调用一样，通过函数名直接调用。静态绑定的虚函数调用的效率比动态绑定高，因为静态绑定是在编译期间确定函数地址的，省去了在运行时查找虚函数表的时间。

动态绑定的虚函数调用通过对象的虚函数指针来确定虚函数表，再根据虚函数表中的偏移量来确定实际调用的函数地址。动态绑定的虚函数调用相对于静态绑定而言效率低，因为需要在运行时查找虚函数表，并在虚函数表中查找偏移量。

示例说明

示例1

#include <iostream>
using namespace std;

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

class Derived : public Base
{
public:
    void func() { cout << "Derived::func()" << endl; }
};

int main()
{
    Base b;
    Derived d;
    b.func();
    d.func();
    Base* pb = &d;
    pb->func();
    return 0;
}

输出结果：

Base::func()
Derived::func()
Derived::func()

解释如下：

在第一个和第二个函数调用中，使用了静态绑定，直接调用了类自身的虚函数。在第三个函数调用中，使用了动态绑定，通过基类指针来调用派生类的虚函数，实现了多态。

示例2

#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
    virtual void func1() { cout << "Base::func1()" << endl; }
    virtual void func2() { cout << "Base::func2()" << endl; }
};

class Derived : public Base
{
public:
    void func1() { cout << "Derived::func1()" << endl; }
    void func2() { cout << "Derived::func2()" << endl; }
};

int main()
{
    Base b;
    Derived d;
    Base* pb = &b;
    pb->func1();
    pb->func2();
    pb = &d;
    pb->func1();
    pb->func2();
    return 0;
}

输出结果：

Base::func1()
Base::func2()
Derived::func1()
Derived::func2()

解释如下：

在第一个和第二个函数调用中，使用了静态绑定，直接调用了类自身的虚函数。在第三个和第四个函数调用中，使用了动态绑定，通过基类指针来调用派生类的虚函数，实现了多态。