C++虚函数原理

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C++虚函数原理

一、前言

虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态，简而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用了子类的成员函数。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”。这种类型的识别是在程序运行时定义的，也叫运行时多态。

二、虚函数表实现原理

虚函数的实现是由两个部分组成的，虚函数指针与虚函数表。

2.1 虚函数指针

为了指定对象的虚表，对象内部包含一个虚表的指针，来指向自己所使用的虚表。为了让每个包含虚表的类的对象都拥有一个虚表指针，编译器在类中添加了一个私有指针，*__vptr，用来指向虚表。这样，当类的对象在创建时便拥有了这个指针，且这个指针的值会自动被设置为指向类的虚表。

只有拥有虚函数的类才会拥有虚函数指针，所以拥有虚函数的类的所有对象都会因为虚函数产生额外的开销，并且也会在一定程度上降低程序速度。与JAVA不同，C++将是否使用虚函数这一权利交给了开发者，所以开发者应该谨慎的使用。

2.2 虚函数表

虚函数表是一个类的虚函数的地址表，用于索引类本身以及父类的虚函数的地 址，假如子类的虚函数重写了父类的虚函数，则对应在虚函数表中会把对应的虚函数替换为子类的 虚函数的地址；虚函数表指针存在于每个对象中（通常出于效率考虑，会放在对象的开始地址处）， 它指向对象所在类的虚函数表的地址；在多继承环境下，会存在多个虚函数表指针，分别指向对应 不同基类的虚函数表。

虚表是属于类的，对于基类与派生类，基类有基类的虚函数表，派生类有派生类的虚函数表。

举个例子，定义三个类A,B,C依次继承

class ClassA
{
public:int m_data1;int m_data2;void func1() {}void func2() {}virtual void vfunc1() {}virtual void vfunc2() {}};class ClassB:public ClassA
{
public:int m_data3;void func2() {} // 非虚函数，基类的同名函数会被隐藏virtual void vfunc1() {}};class ClassC :public ClassB
{
public:int m_data1;int m_data4;void func2() {}  // 非虚函数，基类的同名函数会被隐藏virtual void vfunc1() {}};

可以看到，在子类的虚函数表中，基类函数的虚函数表项仍然保留，子类自己的虚函数将跟在表后，如果子类重写了父类的虚函数，虚函数表会更新。比如，classA的虚函数是vFunc1,vFunc2,ClassB继承ClassA，它重写了vFunc2，就会替换该函数地址，以此类推。

三、一些遗留问题

1、 构造函数是否能为虚函数？

不能，

1）如果构造函数是虚函数，那么就需要通过虚表指针vtable 来调用，但此时面对一块没有初始化的内存，到哪里去找 vtable 呢？毕竟，vtable 是在构造函数中才初始化的啊，而不是在其之前。因此构造函数不能为虚函数。

2）构造函数在进行调用时还不存在父类和子类的概念，父类只会调用父类的构造函数，子类调用子类 的，因此不存在动态绑定的概念

2、析构函数可以是虚函数吗？

可以，而且最好是虚的，因为此时 vtable 已经初始化了；况且我们通常通过基类的指针来销毁对象，如果析构函数不为虚的话，就不能正确识别对象类型，从而不能正确销毁对象。

3、使用虚函数的时候，子类也要使用virtual关键字吗？

父类使用虚函数是为了让子类重写，那子类重写的时候也需要带virtual关键字吗？比如：

class Base{virtual bool init();
};class Derived : public Base {virtual bool init(); //这里的vitual是必须的吗？好像不用也能编译通过呃…..
};

C++规定，当一个成员函数被声明为虚函数后，其派生类中的同名函数都自动成为虚函数。因此，在子类从新声明该虚函数时，可以加，也可以不加，建议父类加virtual，子类加override，这样清晰明了

class Base {virtual bool init();
};class Derived : public Base {bool init() override; // 这样写更清晰
};

4、构造函数中可以调用虚函数吗？

可以，但是没有动态绑定的效果，父类构造函数中调用的仍然是父类版本的函数，子类中调用的仍然是子类版本的函数

5、内联函数、静态成员函数可以是虚函数吗？

内联函数可以，但是不要这么写。内联函数需要在编译阶段展开，而虚函数是运行时动态绑定的，编译时无法展开，当然你可以写 inline virtual 这样的函数，它也不报错，因为内联是编译器决定的，并不跟是否有关键字inline有关系。而虚函数的多态性在运行期，编译器无法知道运行期调用哪个代码，因此虚函数表现为多态性时（运行期）不可以内联；

静态成员函数不可以，因为它是以类为单位的函数，与具体对象无关，无this指针，虚函数是与对象动态绑定的，必定是成员函数，成员函数肯定有this指针，因此是两个冲突的概念；

参考：

C++：构造函数和析构函数能否为虚函数 - 止战 - 博客园

C++虚函数详解_Whitesad_的博客-CSDN博客_c++虚函数

C++ 虚函数、虚函数表剖析_年年年年年的博客-CSDN博客