C++中的虚函数通俗解释和用法示例

2021年3月27日17:49:13 发表评论 1,171 次浏览

虚函数是在基类中声明的成员函数, 并由派生类重新定义(重写)。当使用指针或对基类的引用来引用派生类对象时, 可以为该对象调用虚拟函数并执行该派生类的函数版本。

虚函数可确保为对象调用正确的函数, 而不管用于函数调用的引用(或指针)的类型如何。
它们主要用于实现运行时多态
函数用虚拟基类中的关键字。
函数调用的解析在运行时完成。

虚函数规则

虚函数不能是静态的, 也不能是另一个类的朋友函数。
应该使用基类类型的指针或引用来访问虚拟函数, 以实现运行时多态。
虚拟函数的原型在基类和派生类中都应相同。
它们始终在基类中定义, 而在派生类中被覆盖。不必强制派生类重写(或重新定义虚拟函数), 在这种情况下, 将使用函数的基类版本。
一堂课可能有虚拟析构函数但它不能具有虚拟构造函数。

虚函数的编译时(早期绑定)与运行时(后期绑定)行为

考虑以下显示虚函数运行时行为的简单程序。

// CPP program to illustrate
// concept of Virtual Functions
  
#include <iostream>
using namespace std;
  
class base {
public :
     virtual void print()
     {
         cout << "print base class" << endl;
     }
  
     void show()
     {
         cout << "show base class" << endl;
     }
};
  
class derived : public base {
public :
     void print()
     {
         cout << "print derived class" << endl;
     }
  
     void show()
     {
         cout << "show derived class" << endl;
     }
};
  
int main()
{
     base* bptr;
     derived d;
     bptr = &d;
  
     // virtual function, binded at runtime
     bptr->print();
  
     // Non-virtual function, binded at compile time
     bptr->show();
}

输出如下：

print derived class
show base class

说明：运行时多态只能通过基类类型的指针(或引用)来实现。同样, 基类指针可以指向基类的对象以及派生类的对象。在上面的代码中, 基类指针" bptr"包含派生类的对象" d"的地址。

后期绑定(运行时)是根据指针的内容(即指针指向的位置)完成的, 而早期绑定(编译时)是根据指针的类型完成的, 因为print()函数是用virtual关键字声明的, 因此将在运行时绑定(输出为打印派生类因为指针指向派生类的对象), 并且show()是非虚拟的, 所以它将在编译时绑定(输出为显示基类因为指针是基本类型)。

注意：如果我们在基类中创建了虚函数, 并且在派生类中对其进行了覆盖, 那么在派生类中就不需要virtual关键字, 那么在派生类中, 函数会自动视为虚函数。

虚函数的工作(VTABLE和VPTR的概念)

如前所述这里, 如果一个类包含一个虚函数, 那么编译器本身会做两件事：

如果创建了该类的对象, 则虚拟指针(VPTR)作为类的数据成员插入, 以指向该类的VTABLE。对于创建的每个新对象, 将插入一个新的虚拟指针作为该类的数据成员。
不管对象是否被创建, 功能指针的静态数组, 称为VTABLE其中每个单元格包含该类中包含的每个虚函数的地址。

考虑下面的示例：

// CPP program to illustrate
// working of Virtual Functions
#include <iostream>
using namespace std;
  
class base {
public :
     void fun_1() { cout << "base-1\n" ; }
     virtual void fun_2() { cout << "base-2\n" ; }
     virtual void fun_3() { cout << "base-3\n" ; }
     virtual void fun_4() { cout << "base-4\n" ; }
};
  
class derived : public base {
public :
     void fun_1() { cout << "derived-1\n" ; }
     void fun_2() { cout << "derived-2\n" ; }
     void fun_4( int x) { cout << "derived-4\n" ; }
};
  
int main()
{
     base* p;
     derived obj1;
     p = &obj1;
  
     // Early binding because fun1() is non-virtual
     // in base
     p->fun_1();
  
     // Late binding (RTP)
     p->fun_2();
  
     // Late binding (RTP)
     p->fun_3();
  
     // Late binding (RTP)
     p->fun_4();
  
     // Early binding but this function call is
     // illegal(produces error) becasue pointer
     // is of base type and function is of
     // derived class
     // p->fun_4(5);
}

输出如下：