C++中的各种“虚“-- 虚函数、纯虚函数、虚继承、虚基类、虚析构、纯虚析构、抽象类讲解

C++中的各种"虚"

1. 菱形继承
- 1.1 虚继承 && 虚基类
- 1.2 虚基类指针（vbptr）&& 虚基类表（vbtable）
2. 多态
- 2.1 函数地址绑定时机（早/晚绑定）
- 2.2 虚函数
- 2.3 虚函数指针（vfptr）与虚函数表（vftable）
- - 2.3.1 多态的优点
- 2.4 纯虚函数 && 抽象类
- 2.5 虚析构 && 纯虚析构

C++中的一些重要概念都与“虚”相关，比如：

① 虚基类、虚继承、虚基类指针（vbptr）、虚基类表（vbtable）；

② 虚函数、纯虚函数、虚函数指针（vfptr）、虚函数表（vftable）、抽象类、虚析构、纯虚析构。

这里对上面罗列出的概念做一个总结，争取把这些都一次讲清楚：

1. 菱形继承

由于C++支持多继承，即一个类可以继承自多个类，故有时候会存在菱形继承（又叫钻石继承）的情景，即两个子类继承同一个父类而又有子类同时继承这两个子类：

菱形继承示意伪代码：
class CA{public:int m_A;
};class CB :public CA{};
class CC :public CA{};class CD :public CB,public CC{};
即CB和CC继承自CA类，而CD由继承自CB类和CC类。

菱形继承会产生一些问题：

当CD对象想要调用成员变量m_A的时候，如果不使用作用域加以区分调用哪个父类中的m_A时，会产生错误，即产生二义性的问题：

CD *obj = new CD();obj->CB::m_A = 10;obj->CC::m_A = 20;//cout << obj->m_A << endl;       // 报错cout << obj->CB::m_A << endl;   // 成功执行,输出10cout << obj->CC::m_A << endl;    // 成功执行，输出20delete obj;

菱形继承导致同个成员变量的多次继承，造成CD对象中m_A变量的冗余（空间浪费）。

而虚继承技术是用于解决菱形继承上述问题的方法。

1.1 虚继承 && 虚基类

利用虚继承可以解决菱形继承的问题，在继承之前，加上关键字virtual：

class CA{int m_A;
};class CB :virtual public CA{};
class CC :virtual public CA{};class CD :public CB,public CC{};

CB和CC虚继承自CA类，此时CA类就是虚基类。

此时不论加不加作用域，CD访问m_A都是在访问同一片地址：

 CD *obj = new CD();obj->CB::m_A = 10;obj->CC::m_A = 20;cout << obj->m_A << endl;        // 成功执行,输出20cout << obj->CB::m_A << endl;    // 成功执行,输出20cout << obj->CC::m_A << endl;    // 成功执行，输出20delete obj;

这是因为CD类的对象从CB和CC中继承下来的对象不再是他们各自的m_A，而是一个指针 —— vbptr (virtual base pointer，虚基类指针)。

1.2 虚基类指针（vbptr）&& 虚基类表（vbtable）

CD实例化对象中的 vbptr 会指向其 vbtable ( virtual base table，虚基类表 )，而虚基类表中记录着vbptr 指向实际变量的偏移量（offset），通过 vbptr + offset 的方式可以访问到唯一的成员变量，从而不再产生歧义和空间浪费的问题。

【注意】C++ 创建一个子类对象时会调用父类的构造函数，那么会创建父类对象吗？

答曰：不会创建另外一个父类对象，只是初始化子类中属于父类的成员，父子类上同名的成员变量和函数可以通过作用域来指定。

创建一个对象的时候，发生了两件事情，一是分配对象所需的内存，二是调用构造函数进行初始化。子类对象包含从父类对象继承过来的成员，实现上来说，一般也是子类的内存区域中有一部分就是父类的内存区域。调用父类构造函数的时候，这块父类对象的内存区域就被初始化了。为了避免未初始化的问题，语法强制子类调用父类构造函数。

2. 多态

多态是C++面向对象的三大特性之一。

多态可以分为两类：
1. 静态多态：函数重载和运算符重载属于静态多态，即复用函数名；
2. 动态多态：基于 派生类 和 虚函数 实现运行时多态。
静态多态和动态多态的区别：
1. 静态多态：函数地址早绑定 —— 编译阶段就已经确定函数地址；
2. 动态多态：函数地址晚绑定 —— 运行阶段才能确定函数的地址。

2.1 函数地址绑定时机（早/晚绑定）

通过下面的C++伪代码来理解什么是函数地址早/晚绑定：

/* 动物类 */
class Animal {public:void speak(){ cout << "动物在说话" << endl; }
};/* 猫类 */
class Cat :public Animal{void speak(){ cout << "迪奥纳特调~" << endl; }
};/* 测试API */
void doSpeak(Animal &animal){   // 父类引用指向子类对象，animal.speak();
}/* 测试案例 */
void test01(){Cat cat;doSpeak(cat); //？问题：该行输出什么？
}

C++中允许父子之间的类型转换（不需要强制转换），在doSpeak()函数中参数是父类的引用，test01()函数中传入的是子类对象，这在语法上是没毛病的。可能会有的同学认为我们传入的参数是Cat类，理应调用Cat类的speak()函数，但实际上 test01()函数中，输出的结果是 "动物在说话"，即调用的是父类Animal类的speak()函数。

为什么会产生这样的现象？

原因就在于void doSpeak(Animal &animal)函数是地址早绑定的，即在编译时就已经确定doSpeak()内部speak()函数的调用地址是Animal类中的speak()函数，故此不论传入test01()函数的对象参数是继承自Animal类的猫类狗类还是别的什么类，最终的结果都将是调用父类Animal类的speak()函数。

如果想让猫说话，这个函数的地址就不能是早绑定的，需要在运行阶段进行绑定（晚绑定），通过派生类和虚函数实现，即运行时多态。

2.2 虚函数

在基类Animal类的void speak()函数前加上virtual关键字，使其成为虚函数：

virtual void speak(){ cout << "动物在说话" << endl; }

继承自含有虚函数的基类后，子类重写父类中的虚函数，就可以实现地址晚绑定。

此时再次运行test01()函数后，输出的结果是 "迪奥纳特调~"。特点就是会根据传入的对象不同，执行相应类的函数，总结如下：

动态多态满足条件：
1. 有继承关系
2. 子类重写父类中的虚函数

动态多态的使用：

父类的引用指向子类传入对象

/* 假设Cat类继承自Animal类且重写了Animal类的虚函数 */
// 参数为父类引用
void doSpeak(Animal &animal){ animal.speak();
}int main(){Cat cat;// 传入子类对象doSpeak(cat);  // 执行Cat类中的speak()函数            return 0;
}

父类的指针指向子类传入对象

/* 假设Cat类继承自Animal类且重写了Animal类的虚函数 */
Animal *obj = new Cat();
obj.speak();    // 执行Cat类中的speak()函数

2.3 虚函数指针（vfptr）与虚函数表（vftable）

当我们在给Animaal类的speak()函数加上virtual关键字之前，实例化一个Animal对象obj并用sizeof(obj)，可以看到，大小为1字节。

这是因为C++类中只有非静态成员变量是存储在对象中的，其他的静态成员变量、静态成员函数、成员函数都由所有对象共享类中的一份实例，而为了区分空对象和NULL，C++中规定空对象的大小为1个字节。

但在给Animaal类的speak()函数加上virtual关键字之后，再使用sizeof()函数查看该对象大小，可以看到结果是4字节（32位OS）或8字节（64位OS），具体视操作系统位数而定。

这是为什么呢？

因为使用虚函数后，在对象的地址空间中存储了一个指针，即 vfptr（virtual function pointer，虚函数指针）；

vfptr 指针会指向一张表，即 vftable（virtual function table，虚函数表），该表内部会记录虚函数的地址。

当子类即Cat类没有重写父类即Animal类中的虚函数时，子类会继承父类中的vfptr和vftable，如下示意图：

当子类即Cat类重写父类即Animal类中的虚函数之后，子类中 vftable 内部会替换成子类虚函数的地址（父类中的vftable没有改变），如下示意图：

在满足继承与虚函数的重写后，当父类的指针或者引用指向子类对象时，就会发生多态，具体执行子类还是父类中的函数由子类中 vfptr 查 vftable 决定。

2.3.1 多态的优点

使用多态有如下优点：

代码组织结构清晰，可读性强
利于项目的前期开发和后期的拓展及维护

使用多态符合大型软件工程开发设计原则中的开闭原则，即对修改（源码）关闭，对添加（插件/功能/模块）开放。

举一个例子，比如我们要实现一个二元运算计算器，在没有掌握多态之前，通常会使用流程控制语句如if…else或goto、switch等来对参数中的操作符做判断再执行相应运算；

这样写虽然简洁快速，但是对于大型的项目来说，如果需要给该计算器添加新的运算方式如求n次幂时，我们需要去源码的流程控制语句中添加一个判断和执行，这样就违背了开闭原则，不利于项目后期的维护与拓展；

如果使用多态，那么可以设计一个基类，该基类中包含两个操作数做成员变量，以及一个虚函数；

这样在需要后续扩展每种运算功能时，只需一个继承自该基类的子类，并重写基类中的虚函数为具体的计算函数即可（不需要修改源码，而是添加子类），即一个子类对应于一种运算。在需要进行运算时只需要将基类的指针或引用指向子类的对象，并调用该指针或引用的相应函数即可实现多态。

2.4 纯虚函数 && 抽象类

在多态中，通常父类中的虚函数的实现是没有意义的，主要都是调用子类重写父类的虚函数，因此，可以将虚函数改为纯虚函数。

纯虚函数语法：

virtual 返回值类型 函数名 (参数列表) = 0；

当类中有了纯虚函数，这个类也成为抽象类。
抽象类特点：
1. 无法实例化对象
2. 子类必须重写抽象类中的纯虚函数，否则也属于抽象类

2.5 虚析构 && 纯虚析构

使用多态时，如果子类中有属性开辟到堆区，那么父类指针在释放时无法调用到子类的析构代码。

解决方式：将父类中的膝盖函数改为虚析构或纯虚析构。

C++中构造函数的调用顺序由父类到子类依次构造，析构函数相反。

虚析构和纯虚析构共性：
1. 可以解决父类指针释放子类对象
2. 都需要有具体的函数实现
虚析构和纯虚析构区别：
- 如果是纯虚析构，该类属于抽象类，无法实例化对象
虚析构语法：
```
virtual ~类名(){}
```

纯虚析构语法：

/* 类内声明 */
virtual ~类名() = 0;/* 类外实现 */
类名::类名(){}

【注意】纯虚析构和纯虚函数不同，纯虚函数不需要实现，但纯虚析构仍需要实现。