C++学习第13篇-虚拟函数

1. 衍生类中基类的指针和引用

上一篇中，已经介绍了类的继承；这篇中，将介绍继承中另一个重要和实用的方面-虚拟函数。

在讨论虚拟函数之前，我们应明确为什么需要虚拟函数。之前我们知道，衍生类包含了基类的一部分和本身的一部分。

输出：

因为一个Derive的对象也是Base类型，如老师是一个人。

输出：

因为rBase和pBase是Base类型，只能看到Base类的成员或者是Base类继承其他类的成员，对于Derived类的非继承成员是不可见的。

另一个例子：

输出：

2）在基类中使用指针和引用

如果没有使用指针，对于多个动物的呼叫：

当然也可以这样写：

但是，Animal只会执行其对应的呼叫函数。

测试：

而且，当动物种类超出30种时，需要30个数组来保存不同的动物种类。

这两种方法都有个明显的缺点：基类指针指向衍生类，执行的函数是基类的函数，而不是衍生类的重定义函数。

2. 虚拟函数

在第1节中，使用基类指针，可以简化代码；但是基类指针只能执行基类的对应函数，而不是衍生类的重定义函数。

例如：

输出是：rBase is a Base。

这个问题可以通过虚拟函数来解决：

虚拟函数-特殊类型的函数，执行相同签名函数的最高级衍生版本。

只需将virtual关键字放在函数声明的前面。

修改上面的例子：

输出是：rBase is a Derived。

因为使用virtual关键字，GetName执行力衍生类版本的函数；

复杂一点的例子：

输出是：rBase is a C。

流程：首先rBase是一个A引用，因为A中的GetName是一个虚拟函数；然后执行遍历A到C的相同签名的函数，最后执行最高级衍生的C类，然后执行C的重定义函数。

因为rBase指向的是一个C对象，所以不会遍历D的函数。

更复杂的例子：

输出：

再次测试：

输出：

注意：衍生类函数的签名必须和基类的虚拟函数的签名一致，才能达到执行衍生类函数的效果。

2）virtual关键字的使用

A)事实上，virtual关键字在衍生类中不必要使用的。

B)通常，最原始的基类使用virtual关键字，这样所有继承的衍生类都可以虚拟执行；

C)通常，推荐在衍生类中也使用virtual关键字，尽管语法上不需要；

3）虚拟函数的返回值

在正规情况下，虚拟函数和衍生类的重定义函数必须有一致的返回类型；

但是，例外：如果虚拟函数返回的是类的指针或引用，那么重定义函数可以返回衍生类的指针或引用。

3. 虚拟析构函数、虚拟赋值、重写虚拟列表

1）虚拟析构函数

C++提供了一个默认的析构函数，有时需自定义析构函数，特别是在动态分配内存。

例如：

这时，打印：Calling ~Base()。

如果采用虚拟析构函数：

此时，输出是：

Calling ~Drived

Calling ~Base()

2)虚拟赋值

将赋值虚拟是可能的。不像虚拟析构，虚拟赋值是麻烦之源。

3）重写虚拟化

使用全局运算符::来显示执行基类函数：

这种做法是比较少使用，但只是说明是可能的。

虚拟函数的缺点：低效的，执行一个虚拟函数需要的时间更长；还要另外开辟内存空间。

4. 提前绑定和延迟绑定

当CPU执行编译程序时，每行语句被编译成一行或多行的计算机代码，每一行指定了唯一的顺序地址；函数也一样，每个函数结尾都有一个唯一的顺序地址。

所谓绑定，就是将标志符转换为机器语言地址的过程；本章节主要讲述函数的绑定。

1）提前绑定

当执行直接调用一个函数时，这个进程成为提前绑定（静态绑定）；记住，每个函数都有唯一机器地址，当编译器遇到函数调用，编译器将函数调用转换为机器语言，CPU跳转到函数的地址。

因为Add、Subtract和Multiply是直接函数调用，即提前绑定。

2）延迟绑定

在一些程序中，不可能知道那些函数直到运行时才加载，即延迟绑定（动态绑定）；

在C++中实现延迟加载主要是采用函数指针；

修改上面的main函数：

因为pFcn知道运行时才确定执行的调用函数，所以称作延迟绑定。

延迟绑定效率相对低一点，因为要涉及更多的间接调用级数；但延迟更灵活，因为函数调用知道运行时才确定。

5. 虚拟表

在应用虚拟函数，C++使用了延迟绑定的特殊形式-虚拟表。

虚拟表是延迟管理器管理的一张函数调用列表。名字如：“vtable”, “virtual functiontable”, “virtual method table”, or “dispatch table”。

虚拟表是编译器在编译时创建的一个静态数组；每个函数调用都有一个入口供对象调用。

编译器为基类添加类一个隐藏的指针： *__vptr；这是个真实的指针，衍生类可以继承。

例如：

编译器创建3张虚拟表，记录每个类的虚拟函数；

每个虚拟表的*_vptr负责管理函数调用的遍历；

通过虚拟表，编译器和程序更准确地找到所需的虚拟函数。

6. 纯粹虚拟函数、抽象基类和接口类

这是虚拟函数的最后一节，恭喜各位通过了C++语言最难懂的部分了。

1）纯粹虚拟（抽象）函数和抽象基类

目前为止，所看到的虚拟函数都有函数体（定义体），C++允许创建一类特殊的虚拟函数-纯粹虚拟函数（抽象函数），没有函数体。

使用一个纯粹的虚拟函数有2个主要的结果：

A）任何类使用了一个或多个的纯粹虚拟函数，成为抽象基类；抽象类-即不可以实例化；

B）任何继承于抽象基类的衍生类必须实现该函数；

一个纯粹的虚拟函数是非常有用的，我们想将一个函数放到基类，衍生类只需知道其返回类型即可；这样就预防了衍生类忘记实现该函数；

2）接口类

一个接口类-不包含任何成员变量，所有函数都是纯粹虚拟函数。

接口是非常有用的，当你想定义衍生类必须实现的功能；但功能的实现细节依赖于具体的衍生类。

接口类越来越流行，因为其易用、易扩展和易维护。

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