多态和虚函数

多态和虚函数

在C++中，多态是通过虚函数实现的。

基类如果把一个函数声明为虚的（virtual），就表明继承类可以覆盖（override）这个函数（从而表现不同的行为，呈现出多态性）。

对于每一个有虚函数的类，或者覆盖了一个或多个基类虚函数的继承类，可认为有一个与之关联的虚函数表（v-table）。v-table表中的每一项（slot）中存储的是适当的函数指针。C++编译器在编译时刻创建了所有必需的虚函数表。并且，每个虚函数表中的项都已经填充了恰当的值（指向了正确的函数入口）。

例如，下面有三个类：Base，Derived，Derived2。

class Base

  {

     virtual void f1() {}

     virtual void f2() {}

     virtual void f3() {}

  }

Base类的虚函数表如下。

     slot1 – Base::f1()

     slot2 – Base::f2()

     slot3 – Base::f3()

class Derived: public Base

  {

    //void f1() {}

    void f2() {}

    virtual void f3() {}

    virtual void f4() {}

    virtual void f5() {}

  }

 

Derived类的虚函数表中追加了两项（前面的部分必须与Base类虚函数表完全一致，包括表项的数量和位置次序），如下。

     slot1 – Base::f1()

     slot2 – Derived::f2()

     slot3 – Derived::f3()

     slot4 – Derived::f4()

     slot5 – Derived::f5()

注意，我有意在Derived类中不覆盖f1()，这样的话表项1中存储的仍然是指向Base::f1()的函数指针。假如在Derived类中覆盖f1()的话，那么表项1将指向Derived::f1()。

这就是虚函数“覆盖”的真实含义。

class Derived2: public Derived

  {

    void f3() {}

    void f4() {}

    void f5() {}

    virtual void f6() {}

    virtual void f7() {}

  }

Derived2类的虚函数表中又增加了两项，如下。

     slot1 – Base::f1()

     slot2 – Derived::f2()

     slot3 – Derived2::f3()

     slot4 – Derived2::f4()

     slot5 – Derived2::f5()

     slot6 – Derived2::f6()

     slot7 – Derived2::f7()

现在描述一下对于虚函数的调用。其实已经可以看出，对于虚函数是间接调用的，因为它是通过虚函数表进行的。设想有一个对象指针a（假设类型是Base），调用a的某个函数f()，如果f()不是虚函数，那么是直接调用的，即调用Base::f()（在确定的、没有歧义的情况下，即使可能也没有必要采用间接调用技巧，使效率降低）。如果f()是虚函数，那么是通过虚函数表中的某个项（具体哪个表项是编译阶段完全确定了的）发起调用的。

为什么不直接调用呢？因为编译器不能假定这个a指向的对象一定是Base的实例。要知道就算一个Derived的实例，也可以通过上溯造型（upcast）被视为一个Base实例。 因为虚函数的原因，在Derived类中，函数f()完全可能被覆盖了（从而虚函数表中的相应表项被改写，指向Derived::f()），所以正确的做法是通过相应的表项发起调用，以产生正确的行为。当然它比不上直接调用效率高，但是对于实现多态所要付出的不可避免的代价，这已经是很小的了。整个过程有些像变魔术，但也正达到了多态的目的（同时体现了多态的魅力）。

当然，实际没有改写的动作，这是逻辑上的说法。想象把继承类的虚函数表与基类的叠在一起，那么看起来继承类的函数就把基类的“覆盖”了。