C++ 98/03 应该学习哪些知识11

虚函数与纯虚函数、虚函数实现机制、虚函数表

虚函数和纯虚函数

虚函数是在基类中声明为virtual的成员函数，它可以被派生类重写，让程序在运行时根据实际对象类型来调用正确的函数实现。纯虚函数是在基类中声明为virtual并且没有实现的成员函数，它需要在派生类中被实现，可以用来定义接口或者让派生类必须实现某些函数。

虚函数实现机制

当一个类中声明了虚函数时，编译器会为其生成一个虚函数表（vtable），用于存储每个虚函数的地址。在创建类的对象时，编译器会在对象的内存布局中添加一个指向虚函数表的指针，这个指针被称为虚表指针（vptr）。当调用虚函数时，程序会根据对象的vptr找到对应的虚函数表，然后根据函数在表中的位置找到实际的函数实现。

虚函数表

虚函数表是一个数组，其中每个元素是一个指向虚函数实现的指针。它由编译器在编译时自动生成，并且在程序运行时被加载到内存中。每个类只有一个虚函数表，它包含了该类及其所有基类的虚函数。

下面是一个简单的例子，演示了虚函数和纯虚函数的使用以及虚函数表的实现机制：

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal {
public:
    virtual void speak() {
        cout << "I am an animal." << endl;
    }
    virtual void eat() = 0; // 纯虚函数
};

class Cat : public Animal {
public:
    void speak() override {
        cout << "I am a cat." << endl;
    }
    void eat() override {
        cout << "Cat eats fish." << endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    void speak() override {
        cout << "I am a dog." << endl;
    }
    void eat() override {
        cout << "Dog eats bone." << endl;
    }
};

int main() {
    Animal* animalPtr;
    Cat cat;
    Dog dog;

    animalPtr = &cat;
    animalPtr->speak(); // 输出 "I am a cat."
    animalPtr->eat(); // 输出 "Cat eats fish."

    animalPtr = &dog;
    animalPtr->speak(); // 输出 "I am a dog."
    animalPtr->eat(); // 输出 "Dog eats bone."

    return 0;
}

在这个例子中，Animal是一个基类，它声明了一个虚函数speak和一个纯虚函数eat。Cat和Dog都是Animal的派生类，它们分别重写了speak和eat函数。在程序中，animalPtr是一个指向Animal对象的指针，通过将它指向Cat和Dog对象，可以让程序根据实际对象类型来调用正确的函数实现。虚函数表和vptr的实现细节由编译器实现，并且可能因编译器而异。

在这个例子中，每个类都有一个虚函数表，其中Animal的虚函数表包含了speak和eat函数的地址，Cat和Dog的虚函数表分别包含了它们重写的speak和eat函数的地址。在程序中，当animalPtr指向Cat对象时，调用speak函数时会先根据vptr找到Cat对象的虚函数表，然后根据表中speak函数在表中的位置找到实际的函数实现。同样的，当animalPtr指向Dog对象时，调用speak函数时会根据vptr找到Dog对象的虚函数表，并根据表中speak函数在表中的位置找到实际的函数实现。虚函数和虚函数表的实现机制为多态提供了基础，可以让程序在运行时根据实际对象类型来调用正确的函数实现。

总结

虚函数和纯虚函数是面向对象编程中重要的概念，它们为多态提供了基础。虚函数通过虚函数表和vptr实现了运行时动态绑定，可以让程序根据实际对象类型来调用正确的函数实现。纯虚函数可以用来定义接口或者让派生类必须实现某些函数。虚函数和纯虚函数的实现机制可以让程序更加灵活和可扩展，提高代码的复用性和可维护性。