【虛擬函式】C++中虛擬函式的作用是什麼？它應該怎麼用呢？[轉]

虛擬函式聯絡到多型，多型聯絡到繼承。所以本文中都是在繼承層次上做文章。沒了繼承，什麼都沒得談。

下面是對C++的虛擬函式這玩意兒的理解。

一，  什麼是虛擬函式（如果不知道虛擬函式為何物，但有急切的想知道，那你就應該從這裡開始）

簡單地說，那些被virtual關鍵字修飾的成員函式，就是虛擬函式。虛擬函式的作用，用專業術語來解釋就是實現多型性（Polymorphism），多型性是將介面與實現進行分離；用形象的語言來解釋就是實現以共同的方法，但因個體差異而採用不同的策略。下面來看一段簡單的程式碼

class A{

public:

void print(){ cout<<”This is A”<<endl;}

};

class B:public A{

public:

void print(){ cout<<”This is B”<<endl;}

};

int main(){   //為了在以後便於區分，我這段main()程式碼叫做main1

A a;

B b;

a.print();

b.print();

}

通過class A和class B的print()這個介面，可以看出這兩個class因個體的差異而採用了不同的策略，輸出的結果也是我們預料中的，分別是This is A和This is B。但這是否真正做到了多型性呢？No，多型還有個關鍵之處就是一切用指向基類的指標或引用來操作物件。那現在就把main()處的程式碼改一改。

int main(){   //main2

A a;

B b;

A* p1=&a;

A* p2=&b;

p1->print();

p2->print();

}

執行一下看看結果，喲呵，驀然回首，結果卻是兩個This is A。問題來了，p2明明指向的是class B的物件但卻是呼叫的class A的print()函式，這不是我們所期望的結果，那麼解決這個問題就需要用到虛擬函式

class A{

public:

virtual void print(){ cout<<”This is A”<<endl;}  //現在成了虛擬函式了

};

class B:public A{

public:

void print(){ cout<<”This is B”<<endl;}  //這裡需要在前面加上關鍵字virtual嗎？

};

毫無疑問，class A的成員函式print()已經成了虛擬函式，那麼class B的print()成了虛擬函式了嗎？回答是Yes，我們只需在把基類的成員函式設為virtual，其派生類的相應的函式也會自動變為虛擬函式。所以，class B的print()也成了虛擬函式。那麼對於在派生類的相應函式前是否需要用virtual關鍵字修飾，那就是你自己的問題了。

現在重新執行main2的程式碼，這樣輸出的結果就是This is A和This is B了。

現在來消化一下，我作個簡單的總結，指向基類的指標在操作它的多型類物件時，會根據不同的類物件，呼叫其相應的函式，這個函式就是虛擬函式。

二，  虛擬函式是如何做到的（如果你沒有看過《Inside The C++ Object Model》這本書，但又急切想知道，那你就應該從這裡開始）

虛擬函式是如何做到因物件的不同而呼叫其相應的函式的呢？現在我們就來剖析虛擬函式。我們先定義兩個類

class A{   //虛擬函式示例程式碼

public:

virtual void fun(){cout<<1<<endl;}

virtual void fun2(){cout<<2<<endl;}

};

class B:public A{

public:

void fun(){cout<<3<<endl;}

void fun2(){cout<<4<<endl;}

};

由於這兩個類中有虛擬函式存在，所以編譯器就會為他們兩個分別插入一段你不知道的資料，併為他們分別建立一個表。那段資料叫做vptr指標，指向那個表。那個表叫做vtbl，每個類都有自己的vtbl，vtbl的作用就是儲存自己類中虛擬函式的地址，我們可以把vtbl形象地看成一個陣列，這個陣列的每個元素存放的就是虛擬函式的地址，請看圖

通過上圖，可以看到這兩個vtbl分別為class A和class B服務。現在有了這個模型之後，我們來分析下面的程式碼

A *p=new A;

p->fun();

毫無疑問，呼叫了A::fun()，但是A::fun()是如何被呼叫的呢？它像普通函式那樣直接跳轉到函式的程式碼處嗎？No，其實是這樣的，首先是取出vptr的值，這個值就是vtbl的地址，再根據這個值來到vtbl這裡，由於呼叫的函式A::fun()是第一個虛擬函式，所以取出vtbl第一個slot裡的值，這個值就是A::fun()的地址了，最後呼叫這個函式。現在我們可以看出來了，只要vptr不同，指向的vtbl就不同，而不同的vtbl裡裝著對應類的虛擬函式地址，所以這樣虛擬函式就可以完成它的任務。

而對於class A和class B來說，他們的vptr指標存放在何處呢？其實這個指標就放在他們各自的例項物件裡。由於class A和class B都沒有資料成員，所以他們的例項物件裡就只有一個vptr指標。通過上面的分析，現在我們來實作一段程式碼，來描述這個帶有虛擬函式的類的簡單模型。

#include<iostream>

using namespace std;

//將上面“虛擬函式示例程式碼”新增在這裡

int main(){

void (*fun)(A*);

A *p=new B;

long lVptrAddr;

memcpy(&lVptrAddr,p,4);

memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4);

fun(p);

delete p;

system("pause");

}

用VC或Dev-C++編譯執行一下，看看結果是不是輸出3，如果不是，那麼太陽明天肯定是從西邊出來。現在一步一步開始分析

void (*fun)(A*);  這段定義了一個函式指標名字叫做fun，而且有一個A*型別的引數，這個函式指標待會兒用來儲存從vtbl裡取出的函式地址

A* p=new B;  這個我不太瞭解，算了，不解釋這個了

long lVptrAddr;  這個long型別的變數待會兒用來儲存vptr的值

memcpy(&lVptrAddr,p,4);  前面說了，他們的例項物件裡只有vptr指標，所以我們就放心大膽地把p所指的4bytes記憶體裡的東西複製到lVptrAddr中，所以複製出來的4bytes內容就是vptr的值，即vtbl的地址

現在有了vtbl的地址了，那麼我們現在就取出vtbl第一個slot裡的內容

memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4);  取出vtbl第一個slot裡的內容，並存放在函式指標fun裡。需要注意的是lVptrAddr裡面是vtbl的地址，但lVptrAddr不是指標，所以我們要把它先轉變成指標型別

fun(p);  這裡就呼叫了剛才取出的函式地址裡的函式，也就是呼叫了B::fun()這個函式，也許你發現了為什麼會有引數p,其實類成員函式呼叫時，會有個this指標，這個p就是那個this指標，只是在一般的呼叫中編譯器自動幫你處理了而已，而在這裡則需要自己處理。

delete p;和system("pause");  這個我不太瞭解，算了，不解釋這個了

如果呼叫B::fun2()怎麼辦？那就取出vtbl的第二個slot裡的值就行了

memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr+4),4); 為什麼是加4呢？因為一個指標的長度是4bytes，所以加4。或者memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr)+1,4); 這更符合陣列的用法，因為lVptrAddr被轉成了long*型別，所以+1就是往後移sizeof(long)的長度

三，  以一段程式碼開始

#include<iostream>

using namespace std;

class A{   //虛擬函式示例程式碼2

public:

virtual void fun(){ cout<<"A::fun"<<endl;}

virtual void fun2(){cout<<"A::fun2"<<endl;}

};

class B:public A{

public:

void fun(){ cout<<"B::fun"<<endl;}

void fun2(){ cout<<"B::fun2"<<endl;}

};  //end//虛擬函式示例程式碼2

int main(){

void (A::*fun)();  //定義一個函式指標

A *p=new B;

fun=&A::fun;

(p->*fun)();

fun = &A::fun2;

(p->*fun)();

delete p;

system("pause");

}

你能估算出輸出結果嗎？如果你估算出的結果是A::fun和A::fun2，呵呵，恭喜恭喜，你中圈套了。其實真正的結果是B::fun和B::fun2，如果你想不通就接著往下看。給個提示，&A::fun和&A::fun2是真正獲得了虛擬函式的地址嗎？

首先我們回到第二部分，通過段實作程式碼，得到一個“通用”的獲得虛擬函式地址的方法

#include<iostream>

using namespace std;

//將上面“虛擬函式示例程式碼2”新增在這裡

void CallVirtualFun(void* pThis,int index=0){

void (*funptr)(void*);

long lVptrAddr;

memcpy(&lVptrAddr,pThis,4);

memcpy(&funptr,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr)+index,4);

funptr(pThis); //呼叫

}

int main(){

A* p=new B;

CallVirtualFun(p);  //呼叫虛擬函式p->fun()

CallVirtualFun(p,1);//呼叫虛擬函式p->fun2()

system("pause");

}

現在我們擁有一個“通用”的CallVirtualFun方法。

這個通用方法和第三部分開始處的程式碼有何聯絡呢？聯絡很大。由於A::fun()和A::fun2()是虛擬函式，所以&A::fun和&A::fun2獲得的不是函式的地址，而是一段間接獲得虛擬函式地址的一段程式碼的地址，我們形象地把這段程式碼看作那段CallVirtualFun。編譯器在編譯時，會提供類似於CallVirtualFun這樣的程式碼，當你呼叫虛擬函式時，其實就是先呼叫的那段類似CallVirtualFun的程式碼，通過這段程式碼，獲得虛擬函式地址後，最後呼叫虛擬函式，這樣就真正保證了多型性。同時大家都說虛擬函式的效率低，其原因就是，在呼叫虛擬函式之前，還呼叫了獲得虛擬函式地址的程式碼。

最後的說明：本文的程式碼可以用VC6和Dev-C++4.9.8.0通過編譯，且執行無問題。其他的編譯器小弟不敢保證。其中，裡面的類比方法只能看成模型，因為不同的編譯器的低層實現是不同的。例如this指標，Dev-C++的gcc就是通過壓棧，當作引數傳遞，而VC的編譯器則通過取出地址儲存在ecx中。所以這些類比方法不能當作具體實現