C++语法之虚函数、虚表

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虚函数

  • C++中的多态通过虚函数（virtual function）来实现
    • 虚函数：被virtual修饰的成员函数
    • 只要在父类中声明为虚函数，子类中重写的函数也自动变成虚函数（也就是说子类中可以省略virtual关键字）

先看一个例子

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class Person{
public:
    int age;
    void run(){
        cout<< "Person::run()" <<endl;
    }
};

class Student: public Person{
public:
    int height;
    void run(){
         cout<< "Student::run()" <<endl;
     }
};

我们用Person指针指向Student对象，然后真正输出的是Person::run()

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int main(){
    Person *stu = new Student();
    stu->run(); //输出 Person::run()
    return 0;
}

输出

Person::run()

原因

  • 那是因为对于编译器来说，编译代码的时候，发现stu指针是Person类型，那么调用的时候，直接调用了Person::run()。有没有办法调用Student::run()呢？答案是有的，就是用virtual修饰
  • 用virtual修饰的函数，是虚函数
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class Person{
public:
    int age;
   virtual void run(){
        cout<< "Person::run()" <<endl;
    }
};

改成如上代码之后，输出结果为

Student::run()

虚表

  • 虚函数的实现原理是虚表，这个虚表里面存储着最终需要调用的虚函数地址，这个虚表也叫虚函数表

对于上面的例子中，Student对象的前4个字节存放的是指向虚表的地址
当我们调用的时候，

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Person *stu = new Student();
stu->run();

会首先把虚表地址取出来，然后去虚表中调用Student::run()

所有的Student对象（不管在全局区、栈、堆）共用同一份虚表

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0x1000010e5 <+53>: movq   -0x18(%rbp), %rax
0x1000010e9 <+57>: movq   %rax, -0x10(%rbp)
0x1000010ed <+61>: movq   -0x10(%rbp), %rax
0x1000010f1 <+65>: movq   (%rax), %rdx
0x1000010f4 <+68>: movq   %rax, %rdi
0x1000010f7 <+71>: callq  *(%rdx) //rdx里面存放虚表地址

跟踪汇编代码调用如下的Student::run:

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 C++test01`Student::run:
->  0x100001190 <+0>:  pushq  %rbp
    0x100001191 <+1>:  movq   %rsp, %rbp
    0x100001194 <+4>:  subq   $0x10, %rsp
    0x100001198 <+8>:  movq   0xe61(%rip), %rax         ; (void *)0x00007fff97678760: std::__1::cout
    0x10000119f <+15>: movq   %rdi, -0x8(%rbp)
    0x1000011a3 <+19>: movq   %rax, %rdi
    0x1000011a6 <+22>: leaq   0xda6(%rip), %rsi         ; "Student::run()"
    0x1000011ad <+29>: callq  0x100001de2               ; symbol stub for: std::__1::basic_ostream<char, std::__1::char_traits<char> >& std::__1::operator<<<std::__1::char_traits<char> >(std::__1::basic_ostream<char, std::__1::char_traits<char> >&, char const*)

纯虚函数

  • 纯虚函数：没有函数体且初始化为0的虚函数，用来定义接口规范
  • 抽象类（Abstract Class）
    • 含有纯虚函数的类，不可以实例化（不可以创建对象）
    • 抽象类也可以包含非纯虚函数、成员变量
    • 如果父类是抽象类，子类没有完全重写纯虚函数，那么这个子类依然是抽象类

例如下面的Person类就是一个含有纯虚函数的类，可以用来定义接口规范

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class Person{
    virtual void run()=0;
};
  • 定义纯虚函数的目的在于，使派生类仅仅只是继承函数的接口。
  • 纯虚函数的意义，让所有的类对象（主要是派生类对象）都可以执行纯虚函数的动作，但类无法为纯虚函数提供一个合理的默认实现。
  • 所以类纯虚函数的声明就是在告诉子类的设计者，”你必须提供一个纯虚函数的实现，但我不知道你会怎样实现它”。