C++特性探寻-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具体类（或者继承类），可认为有一个与之关联的虚函数表（v-t
able）。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()。

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，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（在确定没有歧义的情况下，没有必要采用间接调用技巧，
使效率降低）。如果是虚函数，那么必须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。为什么不去直接调用呢？因为编译器不能确定这
个a指向的对象是Base的实例，还是Derived的实例？要知道就算一个Derived的实例，也
可以通过下塑造型（downcast）被视为一个Base实例。 而在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()）。所以为了产
生正确的调用，表现正确的行为，必须通过虚函数表间接调用才行。整个过程有些像变
魔术，但也正体现了多态的魅力。