C++三大特性—多态 “抽象类与虚函数表”-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了C++三大特性—多态 “抽象类与虚函数表”。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

抽象类和虚函数表是 C++中实现多态性的重要概念，它们对于学习 C++非常重要。
掌握抽象类和虚函数表的使用方法对于理解 C++的多态性是非常重要的。在 C++中，通过使用抽象类和虚函数表，可以实现基于多态性的各种功能，如继承、多态、模板等。同时，在实际应用中，抽象类和虚函数表也是常用的设计模式之一，如抽象工厂模式、观察者模式等。

抽象类

在虚函数的后面写上 =0 ，则这个函数为纯虚函数。包含纯虚函数的类叫做抽象类（也叫接口类），抽象类不能实例化出对象。派生类继承后也不能实例化出对象，只有重写纯虚函数，派生类才能实例化出对象。纯虚函数规范了派生类必须重写，另外纯虚函数更体现出了接口继承。

和普通的虚函数不一样，一个纯虚函数无需定义。而且 =0 只能出现在类内部的虚函数声明处。我们也可以为虚函数提供定义，不过函数体必须定义在类的外部。也就是说，我们不能在类的内部为一个纯虚函数提供函数体。

class Person
{
public:
	virtual void work() = 0;//纯虚函数
};
class Student : public Person
{
public:
	virtual void work()
	{
		cout << "Student-学生上学" << endl;
	}
};
class Teacher : public Person
{
public:
	virtual void work()
	{
		cout << "Teacher-老师教书" << endl;
	}
};

	Person obj;       //错误写法，Person类中声明了纯虚函数，不能定义Person的对象
	Student obj_stu;  //正确写法
	Teacher obj_per;  //正确写法

派生类继承基类的纯虚函数，如果不重写虚函数，那么这个派生类仍然是抽象类。所以必须对其进行重新定义(重写)才能实例出对象：
C++三大特性—多态 “抽象类与虚函数表”

接口继承和实现继承

普通函数的继承是一种实现继承，派生类继承了基类函数，可以使用函数，继承的是函数的实现。
虚函数的继承是一种接口继承，派生类继承的是基类虚函数的接口，目的是为了重写，达成多态，继承的是接口。所以如果不实现多态，不要把函数定义成虚函数。

虚函数表

在了解虚函数表之前我们先来看一道常见的面试题：

//sizeof(Base)是多少？
class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Func1()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
	char _ch;
};

我们很可能会简单的以为只是常见的类的内存对齐问题，认为结果是8，但是结果是：
C++三大特性—多态 “抽象类与虚函数表”
为什么结果是12呢？原因就是有虚函数表的存在。

（12的原因是vs的X86默认对齐数码是根据平台的字长（即指针的大小）来确定的，也就是4。换为Linux环境则可能为8）

注意：我们要理清楚虚函数表(虚表)与虚基表的区别，不要搞混(虚基表)

那么派生类重写(覆盖)基类的虚函数，虚函数表又是以什么样的形式变化呢？

class Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Base::Func1()" << endl;
	}
	virtual void Func2()
	{
		cout << "Base::Func2()" << endl;
	}
	void Func3()
	{
		cout << "Base::Func3()" << endl;
	}
private:
	int _b = 1;
	char _ch;
};
class Derive : public Base
{
public:
	virtual void Func1()
	{
		cout << "Derive::Func1()" << endl;
	}
private:
	int _d = 2;
};

C++三大特性—多态 “抽象类与虚函数表”

完成重写的虚函数虚表对应的位置覆盖成重写的虚函数。、

那么虚函数表是存放在哪个区的呢？栈？堆？静态区？常量区？
我们通过下面代码可以大致猜测一下：

int main()
{
	int a = 0;
	cout << "栈:" << &a << endl;

	int* p1 = new int;
	cout << "堆:" << p1 << endl;

	const char* str = "hello world";
	cout << "代码段/常量区:" << (void*)str << endl;

	static int b = 0;
	cout << "静态区/数据段:" << &b << endl;

	Base be;
	cout << "虚表:" << (void*)*((int*)&be) << endl;
	return 0;
}

C++三大特性—多态 “抽象类与虚函数表”
运行结果：
所以我们猜测虚表应该存放在静态区
这里给大家提供一个打印虚表的办法：

typedef void(*VFPTR) ();
void PrintVTable(VFPTR vTable[])
{
	// 依次取虚表中的虚函数指针打印并调用。调用就可以看出存的是哪个函数
	cout << " 虚表地址>" << vTable << endl;
	for (int i = 0; vTable[i] != nullptr; ++i)
	{
		printf(" 第%d个虚函数地址 :0X%x,->", i, vTable[i]);
		VFPTR f = vTable[i];
		f();
 }
 cout << endl;
}
int main()
{
	Base b;
	Derive d;
	VFPTR * vTableb = (VFPTR*)(*(int*)&b);
	PrintVTable(vTableb);
	VFPTR* vTabled = (VFPTR*)(*(int*)&d);
	PrintVTable(vTabled);
	return 0;
}

思路：取出b、d对象的头4bytes，就是虚表的指针，前面我们说了虚函数表本质是一个存虚函数指针的指针数组，这个数组最后面放了一个nullptr
1.先取b的地址，强转成一个 int * 的指针
2.再解引用取值，就取到了b对象头4bytes的值，这个值就是指向虚表的指针
3.再强转成 VFPTR *，因为虚表就是一个存VFPTR类型(自己重定义的虚函数指针类型)的数组。
4.虚表指针传递给PrintVTable进行打印虚表
5.需要说明的是这个打印虚表的代码经常会崩溃，因为编译器有时对虚表的处理不干净，虚表最后面没有放nullptr，导致越界，这是编译器的问题。我们只需要点目录栏的 - 生成 - 清理解决方案，再编译就好了。

C++三大特性—多态 “抽象类与虚函数表”

C++三大特性—多态 “抽象类与虚函数表”
相同类型的对象共用一个虚表

多继承关系的虚函数表

且看下面代码分析：

class Base1 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base1::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base1::func2" << endl; }
private:
	int b1;
};
class Base2 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Base2::func1" << endl; }
	virtual void func2() { cout << "Base2::func2" << endl; }
private:
	int b2;
};
class Derive : public Base1, public Base2 {
public:
	virtual void func1() { cout << "Derive::func1" << endl; }
	virtual void func3() { cout << "Derive::func3" << endl; }
private:
	int d1;
};

主要的关系就是Derive同时继承Base1与Base2 ，Derive重写了func1但没有重写func2，且自生还有一个func为虚函数。

多继承虚函数表：
C++三大特性—多态 “抽象类与虚函数表”
我们使用上面说过的打印虚表的方法：

	Derive d;
	VFPTR* vTableb1 = (VFPTR*)(*(int*)&d);
	PrintVTable(vTableb1);
	VFPTR* vTableb2 = (VFPTR*)(*(int*)((char*)&d + sizeof(Base1)));
	PrintVTable(vTableb2);