C++之虚函数和虚函数表

大家好，最近开始整理计算机基础相关的面试内容，比如C++、算法与数据结构、计算机网络、操作系统、设计模式、数据库等。

因此把学习时记的笔记分享给大家，希望对大家有所帮助。

今天分享的是C++中虚函数和虚函数表相关知识，下面是正文。

虚函数

概念

虚函数是在编译时，并不能确定的类函数，而是在运行时确定的。

核心点：通过基类对象访问派生类实现的函数。

例子

虚函数的例子，通常有三步。

• 第一步，定义基类，声明基类函数为 virtual 的。
• 第二步，定义派生类(继承基类)，派生类实现了定义在基类的 virtual 函数。
• 第三步，声明基类指针，并指向派生类，调用virtual函数，此时虽然是基类指针，但调用的是派生类实现的基类virtual 函数。

// 例子来源于: 菜鸟教程
class A
{
  public:
      virtual void foo()
      {
          cout<<"A::foo() is called"<<endl;
      }
};

class B:public A
{
  public:
      void foo()
      {
          cout<<"B::foo() is called"<<endl;
      }
};

int main(void)
{
    A *a = new B();
    a->foo();   // 在这里，a虽然是指向A的指针，但是被调用的函数(foo)却是B的!
    return 0;
}

纯虚函数

纯虚函数与虚函数的区别在于，纯虚函数的基类中的virtual函数，只定义了，但不实现。实现交给派生类来做。

PS：带纯虚函数的类也叫抽象类，因为这种基类不能直接生成对象。

优点

• 防止派生类忘记实现虚函数，纯虚函数使得派生类必须实现基类的虚函数。
• 在某些场景下，创建基类对象是不合理的，含有纯虚拟函数的类称为抽象类，它不能生成对象。

声明方法

在基类中纯虚函数的方法的后面加 =0:

// 例子来源于: 菜鸟教程
virtual void funtion()=0

经典问题

1、在动态分配堆上内存的时候，析构函数必须是虚函数

原因：动态分配堆上内存，无法自动回收。若基类指针指向派生类，然后基类指针调用delete方法，只能释放基类的内存，无法释放派生类特有的部分内存，进而导致内存泄露。

析构函数定义成虚函数，基类指针调用delete方法，会先调用派生类的析构函数，然后自动调用基类的析构函数。

析构函数必须是定义虚函数，但没有必要是纯虚的。

2、友元不支持虚拟函数

因为友元函数不是成员函数，只有成员函数才可以是虚函数。

另一个方面，虚函数的目的是通过基类对象访问派生类实现的函数，友元函数不是不是成员函数，更无继承关系。

3、虚函数必须要在基类实现，不实现，编译会报错

规定。

纯虚函数必须不能实现。

4、虚函数是C++实现多态的机制

C++多态指的是调用成员函数时，会根据调用函数的对象的类型来执行不同的函数。

而我们在基类定义了虚函数，并在派生类实现了虚函数，通过基类对象指针却可以指向派生类的实现的成员函数。

因此虚函数是C++实现多态的机制。

5、为什么析构函数必须是虚函数？为什么C++默认的析构函数不是虚函数？

将可能被继承的基类的构造函数设置为虚函数，可以防止用基类指针指向子类是，释放基类指针是可以释放掉子类独有的空间，进而防止内存泄漏。

6、静态函数和虚函数的区别

静态函数在编译期就确定了运行，而虚函数在运行期动态绑定，动态绑定的依据是虚函数指针和虚函数表。

因为额为增加虚函数指针和虚函数表，所以会带来额外的内存开销。

7、多态和虚函数

多态分为静态多态和动态多态。

• 静态多态主要是重载，在编译的时候就已经确定；
• 态多态是用虚函数机制实现的，在运行期间动态绑定。

虚函数表

虚函数表是由有虚函数的类生成的，简称为 V-Table。

虚函数表由编译器生成，如果一个类有虚函数，那么该类就会生成一个4个字节的虚函数表指针，指向虚函数表。指针存储在对象实例的最前面位置。

虚函数表就可以理解为一个数组，每个单元用来存放虚函数的地址(下面有例子)。

单继承下的虚函数表

派生类直接继承基类虚函数

下图展示了一个派生类继承基类虚函数，且没有重写基类的虚函数，对应的虚函数指针、虚函数表、和虚函数表对应指针调用的方法。可以看出：

• 虚函数表中的指针顺序，按照虚函数声明的顺序。
• 基类的虚函数指针在派生类的前面。

派生类重写基类虚函数

下图展示了一个派生类重写基类虚函数，且重写基类的部分虚函数，对应的虚函数指针、虚函数表、和虚函数表对应指针调用的方法。可以看出：

• 虚函数表中，派生类重写的虚函数替换了基类虚函数指针，并指向了派生类的函数实现。

多继承下的虚函数表

多继承下的虚函数表，还是只有一个虚函数表。

多个基类之间的虚函数，按照继承的顺序，存放虚函数指针。

基类内部的虚函数，按照虚函数内部声明的顺序存放。

派生类直接继承基类虚函数

下图展示了多继承下的虚函数表，派生类直接继承基类虚函数，类似与单继承下的虚函数表的情况。

区别在于：

• 多个基类之间的虚函数，按照继承的顺序，存放虚函数指针。
• 基类内部的虚函数，按照虚函数内部声明的顺序存放。

派生类重写基类虚函数

下图展示了多继承下的虚函数表，派生类重写部分基类虚函数，类似与单继承下的虚函数表的情况。

区别在于：

• 多个基类之间的虚函数，按照继承的顺序，存放虚函数指针。
• 基类内部的虚函数，按照虚函数内部声明的顺序存放。
• 虚函数表中，派生类重写的虚函数替换了基类虚函数指针，并指向了派生类的函数实现。

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