深入理解C++中的虚函数机制_C/C++

多态

要了解虚函数机制，首先要了解多态。多态是指同一方法调用在不同对象上表现出不同的行为。它是面向对象编程的核心特性之一。

c++中的多态性包含静态多态、动态多态。
静态多态在编译阶段进行决议，常见的实现方式有重载、模板；
动态多态在运行阶段进行决议，常见的实现方式是重写。

虚函数

虚函数是被virtual关键字所修饰的类的成员函数，通过虚函数可以实现重写，以此来完成动态多态。

通过函数重写来实现多态：

// 基类
class base {
public:
    base() {}

    virtual void test(int x) {}  // 基类虚函数
};

// 派生类
class derive : public base {
public:
    derive() {}

    void f1(int x) {}  // 子类中重写基类的虚函数，子类函数自动继承虚函数特性
};

// 调用
base * base_class = new derive();  // 基类指针持有子类对象
base_class->test(10);  // 调用 derive::test(int)，会根据实际类型调用对应函数，实现多态

当某一个类的成员函数被定义为虚函数，则由该类派生出来的所有子类中，与该函数同名，同参，同返回值类型（或返回类型协变）的函数也会保持虚函数的特征。

静态成员函数不能是虚函数，因为静态成员函数是所有该类类型对象所共有的，不会有多态特性。
内联函数不能是虚函数，因为内联函数在每个实例中都有一个拷贝，无映射关系，不会有多态特性。
构造函数不能是虚函数，因为在调用构造函数时对象还没有完成实例化。
析构函数一般会定义为虚函数，因为其子类析构时需要通过多态调用自身的析构函数。

虚函数表指针

虚函数表指针（vfptr，virtual fun point table）的生成条件——只要类中有虚函数，那么该类的实例化对象的内存布局中就会创建一个隐含的成员，即虚函数表指针，且该类的派生类对象也会创建自身的虚函数表指针。

无论虚函数有多少个，虚函数表指针只有一个。

虚函数表

虚函数表指针指向的就是虚函数表（virtual table），又叫虚表，虚表存放在内存中的只读数据段。

虚函数表的构造发生在代码的编译阶段。
多态发生时，即调用时选择哪个表由对象的运行时类型决定。

虚函数表中包含以下内容：

不同虚函数表的偏移量；（只在多重继承时使用）
rtti运行时类型信息；（用来确定对象的运行时类型）
类中所有虚函数的函数地址。（用来确定需要调用的函数入口）

子类在生成自身的虚函数表的时候，会用自身重写的函数替换掉基类中的虚函数。
所有同类对象共享一张虚表。

通过虚函数表实现多态

示例：

// 基类
class base {
public:
    base() {}

    virtual void f1(int x) {}  // 基类虚函数
    virtual void f2(int x) {}  // 基类虚函数
};

// 派生类
class derive : public base {
public:
    derive() {}

    void f1(int x) {}  // 子类中重写基类的虚函数，子类函数自动继承虚函数特性
};

// 调用
base * base_class = new derive();  // 基类指针持有子类对象
base_class->f1(10);  // 调用 derive::test(int)，会根据实际类型调用对应函数，实现多态
base_class->f2(10);  // 调用 base::test(int)

在编译阶段：

编译器看到virtual关键字，给类生成一张虚函数表；
基类 base 生成虚函数表，在表中填入基类的虚函数地址&base::f1、&base::f2；
子类 derive 生成自己的虚函数表，包含自身的虚函数以及基类的虚函数，使用自身重写的函数 &derive::f1替换&base::f1，而f2未被重写，沿用父类&base::f2；
给类增加隐藏成员vptr虚函数表指针；
对象构造的时候，构造函数把vptr虚函数表指针赋值为本类的虚函数表地址。

在运行时阶段：

实例对象调用函数f1；
从对象base * base_class的内存起始位置取出vptr虚函数表指针；
通过vptr虚函数表指针找到虚函数表；
根据函数f1查找虚函数表中，获取需要调用的函数指针；
跳转调用这个函数指针指向的函数。

通过上述的流程，完成运行时多态。

类模板的成员函数可以是虚函数（模板在类上）

模板是在编译期阶段生成类，所以实例化出来的具体类，就和普通类一样，可以有虚函数、参与多态、产生虚函数表：

template class<t>
class base
{
public:
  virtual void f1() {}  //虚函数
  virtual void f2() = 0 {}  //纯虚函数
};

base<t>本身不是一个类，是类模板；实例化后的base<int>才是真正的类，才有虚函数表。
base<int>和base<string>是两个互不相关的类型，两张独立虚函数表。

成员函数模板不能是虚函数（模板在函数上）

虚函数表需要在编译期就确定，而函数模板的具体类型是在运行时产生了实例之后才确定的，函数模板可以被实例化成无数种，每实例化一次就生成一份全新函数，所以编译器无法预知会实例化多少版本，虚函数表无法预先确定。

虚表是固定大小数组；模板实例化数量是无限可能，二者矛盾。
虚表编译期就要定好全部函数指针；函数模板实例化可以发生在任意地方，编译器预判不了全部实例。

template<typename t>  // 无论类是不是模板类
class base
{
public:
    template<typename u>
    virtual void test(u u) {} // 编译报错，函数模板不能使用 virtual
};

正确的类模板，带成员函数模板的实现：

template<typename t>  // 无论类是不是模板类
class base
{
public:
    template<typename u>
    void test(u u) {}  // 正确，函数模板未使用 virtual
};

// 调用
base<int> b_class;  // 类定义时，已经可以确定类模板的具体类型了（虚表是属于类的）
b_class.test<string>("haha");  // 实例对象，无法通过实例来确定函数模板类型（虚表不是属于对象的）

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