虚函数：多态的实现原理

一.序言
C++ 中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态，说白了就是用父类型别的指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数（当然引用也可以达到该目的，引用也是指针的另一种变种）。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”，这是一种泛型技术。所谓泛型技术，说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比如：模板技术，RTTI技术，虚函数技术，要么是试图做到在编译时决议，要么试图做到运行时决议。
我们从虚函数的实现机制上面为大家做一个清晰的剖析。
二.分析
1.虚函数表
（1）对C++ 了解的人都应该知道虚函数（Virtual Function）是通过一张虚函数表（Virtual Table）来实现的。简称为V-Table。 在这个表中，主要是一个类的虚函数的地址表，这张表解决了继承、覆盖的问题，保证其容真实反应实际的函数。这样，在有虚函数的类的实例中这个表被分配在了这个实例的内存中，所以，当我们用父类的指针来操作一个子类的时候，这张虚函数表就显得由为重要了，它就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。
这里我们着重看一下这张虚函数表。在C++的标准规格说明书中说到，编译器必需要保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置（这是为了保证正确取到虚函数的偏移量）。这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表，然后就可以遍历其中函数指针，并调用相应的函数。
假设有这样的一个类：

class Base
{
public:virtual void f (){cout<<"Base::f()"<<endl;}virtual void g() {cout<<"Base::g()"<<endl;}virtual void h() {cout<<"Base::h()"<<endl;}
};

按照上面的说法，我们可以通过Base的实例来得到虚函数表。下面是实际例程：

typedef void(*Fun)(void);
Base b;
Fun pFun = NULL;
cout << "虚函数表地址：" << (int*)(&b) <<endl;
cout << "虚函数表 — 第一个函数地址：" << (int*)*(int*)(&b) <<endl;
pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
pFun();

通过这个示例，我们可以看到，我们可以通过强行把&b转成int ，取得虚函数表的地址，然后，再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了，也就是Base::f()，这在上面的程序中得到了验证（把int 强制转成了函数指针）。通过这个示例，我们也就可以知道如果要调用Base::g()和Base::h()，其代码如下：

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::f()
(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base::g()
(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h()

以上实例如图所示：

注意：在上面这个图中，在虚函数表的最后多加了一个结点，这是虚函数表的结束结点，就像字符串的结束符“\0”一样，其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在WinXP+VS2003下，这个值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，这个值是如果1，表示还有下一个虚函数表，如果值是0，表示是最后一个虚函数表。
（2）.下面，我将分别说明“无覆盖”和“有覆盖”时的虚函数表的样子。没有覆盖父类的虚函数是毫无意义的。之所以要讲述没有覆盖的情况，主要目的是为了给一个对比。在比较之下，我们可以更加清楚地知道其内部的具体实现。
a.一般继承（无虚函数覆盖）
下面，再让我们来看看继承时的虚函数表是什么样的。假设有如下所示的一个继承关系：

请注意，在这个继承关系中，子类没有重载(重写)任何父类的函数。那么，在派生类的实例中，其虚函数表如下所示：
对于实例：Derive d; 的虚函数表如下：

我们可以看到下面几点：
1）虚函数按照其声明顺序放于表中。
2）父类的虚函数在子类的虚函数前面。
b.一般继承（有虚函数覆盖）
覆盖父类的虚函数是很显然的事情，不然，虚函数就变得毫无意义。下面，我们来看一下，如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数，会是一个什么样子？假设，有下面这样的一个继承关系。

为了让大家看到被继承过后的效果，在这个类的设计中，我只覆盖了父类的一个函数：f()。那么，对于派生类的实例，其虚函数表会是下面的一个样子：

我们从表中可以看到下面几点，
1）覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。
2）没有被覆盖的函数依旧存在。
这样，我们就可以看到对于下面这样的程序，

Base *b = new Derive();
b->f();

由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代，于是在实际调用发生时，是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。
2.多重继承（无虚函数覆盖）
下面，再让我们来看看多重继承中的情况，假设有下面这样一个类的继承关系。注意：子类并没有覆盖父类的函数。

对于子类实例中的虚函数表，是下面这个样子：

我们可以看到：
1）每个父类都有自己的虚表。
2）子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。（所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的）
这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数。
3.多重继承（有虚函数覆盖）
下面我们再来看看，如果发生虚函数覆盖的情况。
下图中，我们在子类中覆盖了父类的f()函数。

下面是对于子类实例中的虚函数表的图：

我们可以看见，三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样，我们就可以任一静态类型的父类来指向子类，并调用子类的f()了。如：

Derive d;
Base1 *b1 = &d;
Base2 *b2 = &d;
Base3 *b3 = &d;
b1->f(); //Derive::f()
b2->f(); //Derive::f()
b3->f(); //Derive::f()
b1->g(); //Base1::g()
b2->g(); //Base2::g()
b3->g(); //Base3::g()

C++这门语言是一门Magic的语言，对于程序员来说，我们似乎永远摸不清楚这门语言背着我们在干了什么。需要熟悉这门语言，我们就必需要了解C++里面的那些东西，需要去了解C++中那些危险的东西。不然，这是一种搬起石头砸自己脚的编程语言。

继承和多态需要掌握的知识点：
继承过程中的访问属性
继承过程中的父类、对象成员、子类的构造以及析构顺序
继承过程中的函数同名隐藏
多继承中容易产生二义性，可以用::进行解决，如果是从同一个基类进行继承，那么要考虑是否是有虚拟继承，即虚基类
类型兼容原则的类容
多态的实现必然以父类的指针或引用作为基础，如果以父类的对象进行调动，会出现子对象的切片现象
掌握多态的实现原理（虚指针、虚表），以及各种继承情况下的虚表图

参考：

[1] https://blog.csdn.net/derkampf/article/details/62046205

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