c++中虚函数、纯虚函数以及虚函数的实现原理

什么是虚函数和纯虚函数

虚函数（Virtual Functions）和纯虚函数（Pure Virtual Functions）是 C++ 中用于实现多态性的重要概念。

虚函数（Virtual Functions）

虚函数是在基类中声明为虚函数的成员函数。它允许在派生类中进行重写（覆盖），并且在运行时根据对象的实际类型调用适当的函数。虚函数通过使用 virtual 关键字进行声明，派生类可以选择性地重写基类中的虚函数。

示例：

#include <iostream>

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

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

int main() {
    Base* basePtr = new Derived();
    basePtr->show(); // 输出 Derived::show()
    delete basePtr;
    return 0;
}

在这个例子中，Base 类中的 show() 函数被声明为虚函数，在 Derived 类中对其进行了重写。当使用基类指针指向派生类对象时，调用 show() 函数时会根据对象的实际类型来调用适当的函数。

纯虚函数（Pure Virtual Functions）

纯虚函数是在基类中声明为纯虚函数的虚函数，它没有具体的实现，而是用 = 0 来指示编译器该函数没有实现。含有纯虚函数的类被称为抽象类，不能直接实例化，只能作为基类来派生其他类。

示例：

#include <iostream>

class Shape {
public:
    // 纯虚函数
    virtual void draw() = 0;
};

class Circle : public Shape {
public:
    // 实现了纯虚函数
    void draw() override {
        std::cout << "Drawing a circle." << std::endl;
    }
};

int main() {
    // Shape shape; // 错误！抽象类不能被实例化
    Circle circle;
    circle.draw(); // 输出 Drawing a circle.
    return 0;
}

在这个例子中，Shape 类中的 draw() 函数被声明为纯虚函数，因此 Shape 类成为了一个抽象类。Circle 类继承自 Shape 类，并且实现了 draw() 函数，因此 Circle 类可以被实例化。

虚函数的实现原理

在 C++ 中，虚函数的实现原理涉及到两个关键概念：虚函数表（vtable）和虚函数指针（vptr）。

1. 虚函数表（vtable）

虚函数表是一张存储了类中虚函数地址的表格，每个包含虚函数的类都会有一个对应的虚函数表。虚函数表中的每个条目存储了一个虚函数的地址，通常是类中声明的虚函数的地址。

当类中至少有一个虚函数时，编译器会为该类生成一个虚函数表。每个类只有一个虚函数表，存储在内存的一个固定位置。子类的虚函数表会包含其继承的父类的虚函数表，以及自己新增的虚函数。

2. 虚函数指针（vptr）

虚函数指针是一个指向虚函数表的指针，它存储在类的对象中。每个类的对象都有一个对应的虚函数指针，指向该类的虚函数表。

当调用一个虚函数时，编译器会使用对象中的虚函数指针找到对应的虚函数表，然后在虚函数表中查找相应的虚函数地址，并调用该函数。

示例

#include <iostream>

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

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

int main() {
    Base* basePtr = new Derived();
    basePtr->show(); // Derived::show()
    delete basePtr;
    return 0;
}

在这个例子中，Base 类有一个虚函数 show()，Derived 类继承自 Base 类并重写了 show() 函数。当创建 Derived 类的对象并将其赋值给 Base 类的指针时，实际上是将 basePtr 指向了 Derived 类的对象。当调用 basePtr->show() 时，虚函数机制会使用 basePtr 中存储的虚函数指针找到 Derived 类的虚函数表，然后调用 Derived 类中的 show() 函数。