一篇文章带你掌握C++虚函数的来龙去脉

背景

C++中的虚函数是一个较为复杂的概念，但又是一个非常重要的特性。在C++中，新手程序员非常容易出现“虚函数”与“普通函数”的混淆，不理解其来龙去脉，导致代码出现各种问题。本篇文章将系统地介绍C++虚函数的基础知识，包括虚函数的用途，实现原理，虚函数表，以及多重继承等问题，帮助读者全面掌握C++虚函数的来龙去脉。

虚函数的用途

在C++中的虚函数主要有两个作用：

1. 实现运行时多态（Runtime Polymorphism）：通过使用虚函数，实现基类和派生类之间的运行时多态。

2. 实现动态绑定（Dynamic Binding）：使用虚函数，可以解决使用基类指针或引用时无法正确调用派生类函数的问题。

虚函数实现原理

在C++中，虚函数的实现依赖于虚函数表（Virtual Table）的概念。虚函数表是一个包含一系列指向虚函数的指针数组。这个数组存放在对象或者类的只读数据段中，每个类拥有一个对应的虚函数表，存放着该类所定义的虚函数指针。当类的某个对象被实例化时，对象会向父类索要虚函数表指针，并把它的虚函数表指针指向该表。

当调用一个对象的虚函数时，实际上是通过对象指针的虚函数表指针找到该表，根据虚函数在表中的偏移量，得到该函数的地址进行调用。

虚函数表

虚函数表是由编译器自动生成，存储在只读数据段中。虚函数表存储着一堆指向虚函数的指针，每一个在类中定义的虚函数，都被分配一个指针在虚函数表中。派生类的虚函数表中都有一个和基类虚函数表相同的前缀，以保证虚函数在继承中的正确性。

多重继承中的虚函数问题

当类继承至少两个基类，并且这些基类都定义了同名的虚函数时，派生类将会有多个虚函数表，每个虚函数表对应基类的虚函数表。派生类的虚函数表是由基类的虚函数表构成的，这个基类的虚函数表是第一次在继承体系中出现该函数的虚函数表。这就意味着，如果一个派生类对象通过一个基类对象指针访问它的同名虚函数，那么该基类虚函数表中的函数将被执行，不是派生类虚函数表中的函数。

示例说明

下面的代码示例演示了虚函数的使用，以及基类指针调用派生类的虚函数：

#include<iostream>
using namespace std;

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

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

int main() 
{
    Base *b1=new Base();
    Base *b2=new Derived();
    b1->func();
    b2->func();
    return 0;
}

执行输出结果：

This is Base::func()
This is Derived::func()

在上面的代码中，我们定义了一个基类Base和一个派生类Derived。在Base类中，我们定义了一个虚函数func，之后在Derived类中重写了基类函数func。在主函数中，我们通过基类指针调用了基类和派生类的函数。结果表明，通过基类指针调用派生类的虚函数后，会动态绑定到派生类的虚函数，实现了多态的功能。

下面的代码示例演示了多重继承中的虚函数问题：

#include<iostream>
using namespace std;

class Base1 
{
public:
    virtual void func() 
    {
        cout<<"This is Base1::func()"<<endl;
    }
};

class Base2 
{
public:
    virtual void func() 
    {
        cout<<"This is Base2::func()"<<endl;
    }
};

class Derived:public Base1,public Base2 
{
public:
    void func() 
    {
        cout<<"This is Derived::func()"<<endl;
    }
};

int main() 
{
    Base1 *b1=new Derived();
    Base2 *b2=new Derived();
    b1->func();
    b2->func();
    return 0;
}

执行输出结果：

This is Derived::func()
This is Derived::func()

在上面的代码中，我们定义了两个基类Base1和Base2，在这两个基类中定义了相同的函数func。然后我们定义了一个派生类Derived，并继承了这两个基类。在Derived类中我们重写了基类函数func。

在主函数中，我们用Base1和Base2类型的指针分别指向派生类对象。实验结果表明，两次调用都是执行的派生类的虚函数。这是因为多重继承使得Derived类存在两个虚函数表，而使用基类指针调用虚函数时，靠前的基类虚函数将被执行。因此，在上面的代码中，两个指针都指向了派生类的虚函数表中的函数，所以两次输出结果一致。