C++ Primer学习笔记（14）——虚函数的实现机制、纯虚函数

在行文之前查阅了相关书籍，参考了一些别人的博客，在这里谢谢大家的分享！希望自己和大家在学习语言的道路上渐行渐远，一直走下去~~~

上一篇文章中说道，C++ 的三个基本特质是 封装、继承、多态。

多态性是将接口与实现进行分离。用形象的语言解释就是实现已共同的方法，但因个体差异而采用不同的策略。

多态包括静多态和动多态，分别在编译和运行过程中实现。而动多态是由虚函数来实现的，其实现机制体现了C++的神秘性。

1.虚函数的实现机制

虚函数是那些以 virtual 关键字修饰的成员函数，是用来实现多态的。

两个重要的关键词揭示了它的神秘面纱 ： 虚表、虚指针。每个类用了一个虚表，每个类对象用了一个虚指针。

具体演示如下：

class A
{
public:
virtual void f();
virtual void g();
private:
int a;
};

class B : public A
{
public:
void g();   // 覆盖父类A中的虚函数g()
private:
int b;
};

因为 A 有 virtual void f( ) ，和 g( )，所以编译器为 A 类准备了一个虚表 vtableA，内容如下：



B 继承了A，所以里面也有继承于A的虚函数，故B也有一个虚表vtableB：



PS：因为B:: g是重写了的，所以B的虚表的g放的是B::g的入口地址，而f 还是A:: g 的入口地址。

当执行B bt; 定义类对象的时候，编译器分配空间时，除了 A 的int a 成员 , B的 int b 成员，还分配了指向B的虚表vtableB 的指针vptr ， 对象bt 的布局如下：



其中，虚表指针总是在最前面的。

当执行下面的语句时：

A *pa = &bt;  //一个A 类型的指针，指向B类型的对象bt

pa ->g( ) 实际上是由 指针vptr指向B的虚表vtableB，然后去里面寻找g()函数。可以看到，vtableB里面是 B:: g( )，即B 自己的g( )，而不是A 的g( )。

这就是多态。

总结：

要知道 虚函数实现多态的机制，谨记虚表、虚指针。能够列出父类和子类的虚表，以及子类对象的虚指针，就不难理解这个机制了。

2. 纯虚函数（pure virtual function）

很多时候，定义一个类的对象是没有意义的，例如，动物这个类，由它可以派生出大象、狮子、猴子等子类，但动物本身生成对象是没有实际意义的。为了解决这个问题，提出了纯虚函数的概念。

假如定义的虚函数为：

virtual void animals(string& name, int age){}

那么如下就是纯虚函数：

virtual void animals(string& name, int age) = 0;   // 函数体直接为0 的虚函数

存在纯虚函数的类称为 抽象类，是一个单纯地接口，抽象类本身实例化，即不能生成对象，只能也必须在派生类中去实例化。

什么情况下使用纯虚函数呢？

当想在基类中抽象出一种方法，且该基类只能被继承，不能实例化

这个方法必须在派生类中实现

针对上述两点分别举例说明：

1） 抽象类不能实例化

例如：定义一个形状的类（Cshape），但凡是形状我们都要求能显示自己，所以定义一个类如下：

class Cshape
{
virtual show(){}
};

我们不想将这个类实例化，首先会想到将show( )这个函数的函数体 { } 删除，改为 virtual show( );

这时如果尝试实例化 Cshape shape; 这样其实是能够通过编译的，只能在连接的时候报错。

那么如何能够在编译的时候就报错呢？

~~用纯虚函数：

class Cshape
{
virtual show() = 0； // 纯虚函数不能实例化
}；

2) 该方法必须在派生类中实现

如上面的例子，show( ) 必须在每一个子类中实现，即在子类中重新定义自己的 show( ) 函数，若没有定义，编译时就会报错：

// 定义Cshape 的派生类，忘了定义show()
class CPoint : public Cshape
{
public:
void msg()
{
cout << " 这是一个点。" << endl;
}
private:
float x;
float y;
};

// 下面实例化 CPoint 类的时候就会报错！！！
CPoint point1;

在编译的时候就会报错！！！

~~~~

这是不是一个预防在派生类中实现基类的方法？ (^__^)