我理解的C++虚函数实现机制

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我理解的C++虚函数实现机制

虚函数使用方法很简单，直接在函数名前面添加关键字virtual声明即可，如果虚函数末尾增加=0则表示为纯虚函数，纯虚函数要求所有派生类都必须重写该该函数，带有纯虚函数的类我们也称为虚基类。
虚函数的实现，作为一个老生常谈的问题，要想透彻的讲明白，还是需要对底层机制有进一步的理解的。

问题抛出

基类指针为什么能调用子类的虚函数？
虚函数实现的关键原理和虚函数表指针vptr有莫大关系，vptr实际上是指向一个虚函数表(一维数组)，该表存储了每个虚函数的函数地址，那么虚函数是如何借助这个vptr实现运行时对象的多态性，也就是我们常说的动态绑定。

从C++对象内存结构说起

阅读过《深度探索C++对象模型》的同学应该比较熟悉下面这个结构，每一个派生类对象实际上是由两个部分组成，如下面的图所示

  • 父类的部分，包括成员变量、vptr、成员函数等，都是共享给子类（当然有一定的权限设置）
  • 子类自身的部分，子类自己成员变量，成员函数

所以子类就是个特殊的父类，享有父类所有属性，是is-a的关系。所以子类也就能直接强制转换为父类，我们通常使用dynamic_cast将子类指针转为父类指针，那么这个父类指针的访问域也就变为内存模型中的上半部分，无法再访问子类的任何资源，但是有个例外，那就是虚表指针vptr，为什么呢？

C++对象内存结构

我们来进一步看看vptr在类继承过程中到底是怎么变化？
通常函数地址都是在编译的时候就确定了，但是虚函数的调用地址需要到运行的时候才能确定，因为你无法确定一个基类的指针到底是执行基类对象还是子类对象。
实际上，虚函数表指针是在对象执行构造函数的确定的。对于基类来说，执行基类构造函数时，直接把虚函数表填充为基类的虚函数地址即可；对于派生类来说，派生类对象构造的时候，会先执行父类的构造函数（把虚函数表全部填充为基类的虚函数地址），然后再执行子类构造函数（对于子类重写的虚函数，修改虚函数表中对于的函数地址，将其改为子类的虚函数地址），具体过程如下图2个步骤所示：

C++派生类构对象构造

动态绑定

有了以上基础后，回到之前的问题，动态绑定是怎么发生的？
现在回答这个问题很简单了，对于一个指向子类对象的基类指针，它的vptr其实在子类构造过程被改写过，所以使用基指针调用虚函数的时候，如果子类有重写，会调用子类的虚函数，如果没有重写，则直接调用基类的虚函数，这样就实现了运行时对象的多态性。

代码实例

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#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Animal
{
public:
    virtual void sleep()
    {
        cout<<"animal sleep"<<endl;
    }
    virtual void breathe()
    {
        cout<<"animal breathe"<<endl;
    }
    string name;
};
class Fish:public Animal
{
public:
    virtual void breathe()
    {
        cout<<"fish bubble"<<endl;
    }
    int skin;
};
int main()
{
    Fish fh;
    Fish *pFish = &fh;
    Animal* pAnimal = dynamic_cast<Animal*>(pFish);
    pAnimal->breathe();//fish bubble 执行子类重写的虚函数
    pAnimal->sleep();  //animal sleep 执行基类的虚函数
    pAnimal->name;     //name位于基类域,能访问
//    pAnimal->skin; skin位于子类域,无法访问
}