虚表、虚函数

什么是虚函数？

使用 virtual 关键字修饰的函数即为虚函数，virtual 关键字只能对类中的非静态函数使用。一种特殊的虚函数为纯虚函数，纯虚函数没有具体的实现，在函数形参列表后加上 =0，定义为纯虚函数。含有纯虚函数的类称为抽象类，抽象类不能进行实例化。

virtual void fun1() {      //虚函数的定义方式
...
};
virtual void fun2() = 0;   //纯虚函数的定义方式

虚函数的作用是什么？

虚函数用于 C++ 三大特性之一多态的实现，C++ 没有 interface 关键字，为了实现接口的重用，需要利用虚函数。

  多态的表现为，同样是基类的指针，但由于指向的派生类不同，所带来的实现也不同。

class Base{
public:
    virtual void fun(){
        cout << "Base fun" << endl;
    }
};

class Derived1 : public Base{
public:
    virtual void fun(){
        cout << "Derived1 fun" << endl;
    }
};

class Derived2 : public Base{
public:
    virtual void fun(){
        cout << "Derived2 fun" << endl;
    }
};
int main()
{
    Base *pb  = new Base();       //基类指针指向基类对象
    Base *pd1 = new Derived1();   //基类指针指向派生类对象
    Base *pd2 = new Derived2();   //基类指针指向派生类对象

    pb->fun();       //Base fun
    pd1->fun();      //Derived1 fun
    pd2->fun();      //Derived2 fun
}

上述代码中，pb、pd1、pd2 都是 Base 类型的指针，但由于指向的对象类型不同，同样的 fun() 实现也不同。具体的原理稍后详述。这里我们先注意到，我们使用了一个基类类型的指针去指向派生类的对象，也就是指针的类型和指向对象的类型是不一致的。这里涉及到一个静态类型和动态类型的关系。
静态类型：指针或者引用申明的类型
动态类型：指针实际指向的类型

对于基本类型来说，是不会出现指针类型和指向的实际类型不一致的情况，例如一个指向 int 的指针去指向一个 char ，编译器会有如下错误

int *p = new char();   //"char *" 类型的值不能用于初始化 "int *" 类型的实体

而在基类指针指向派生类中，派生类继承了基类，可以粗浅的理解为基类是派生类的一个子集(不准确)，派生类包含了一个完整的基类，而基类指针实际上指向的是派生类中的基类部分，所以这种情况下，静态类型和动态类型不一致是合法的。
  那么问题来了 —— 既然基类指针指向的是派生类中的基类部分，那么逻辑上来说3个 fun()的结果应该都是 “Base fun”，为什么会出现三种不一样的结果呢？这就涉及到 C++ 多态实现的一个关键点 —— 虚函数表。

虚函数表

虚函数表，字面意思理解就是存放虚函数的表。虚函数表是一个数组，数组元素储存的是虚函数的指针。一个类如果存在虚函数，那么就会有一个虚指针(vptr)，这个虚指针指向虚函数表。
  而当一个派生类继承了一个有虚函数的基类时，派生类不会产生新的虚表，而是在原来的虚表上更改，自身与基类虚表中相同的函数会覆盖掉虚表中的对应函数，与虚表中不同的虚函数会添加到虚表的尾部。

派生类仅有一个基类：

//类的定义如下
class Base {
public:
    virtual void fun_1();
    virtual void fun_2();
};

class Derived :public Base{
public:
    virtual void fun_1();
    virtual void fun_3();
};

结构：

vtanle.png
  可以看到，Base 的定义中存在 fun_1 和 fun_2 两个虚函数，所以 Base 中虚表存放了两个虚函数。而 Derived 的定义中存在 fun_1 和 fun_3 两个虚函数，那么首先 Derived 会将 Base 的虚表结构拷贝下来，当发现 fun_1 的虚函数时，就会将自身的 fun_1 替换父类的 fun_1，而存在不“冲突”的虚函数时，会将自身的虚函数依次放置在虚表的末尾。当出现基类指针指向派生类时，这样的构造方式方便虚函数的的调用。

vptr的位置

既然存在虚指针和虚表，虚指针是存放在类的什么部位？我们可不可以通过虚指针直接来访问虚函数呢？
  答案是可以的。为了能够正确取得虚函数，编译器会将虚指针放在对象实例的最开始的位置。可以用以下代码验证：

typedef void(*FUN)(void); //返回类型为 void，参数为 void

class Base{
private:
    virtual void fun1(){
        cout << "private: Base fun1" << endl;
    }
public:
    virtual void fun2(){
        cout << "public: Base fun2" << endl;
    }
};
int main()
{
    Base tmp;
    FUN pf; //函数指针 pf
    pf = (FUN)*((int*)*(int*)(&tmp)); 
    pf();
    pf = (FUN)*((int*)*(int*)(&tmp) + 1);
    pf();
}

输出结果

private: Base fun1
public: Base fun2

这个输出结果就比较有趣了，我们利用虚指针，得到了虚函数表中的函数并且进行了调用，验证了我们的猜想 —— 可以直接通过对象的首地址来获得虚指针，并且可以利用虚指针调用虚函数。但同时，我们调用了一个 private 成员函数，也就是说，我们利用这种方式绕过了访问权限。
  C++会尽量规范使用者的行为，但由于它的灵活性，其实并不能防止使用者做一些危险的事。

派生类有多个基类：

C++中有一种特殊的继承方式，就是多继承。那么在多继承的情况下派生类的虚表结构是如何呢？
  其实，在多继承中，虚表的结构是和单继承类似的。派生类对于每一个基类，都会按照单继承的方式将其虚函数保留、替换、增加。所不同的是派生类对于每一个基类都会进行这样的操作，那么相应的，派生类中就会存在多个虚表。同时，虚指针的排列顺序是按照继承顺序排列。

//类的声明如下
class Base1 {
public:
    virtual void fun_1();
    virtual void fun_2();
};

class Base2 {
public:
    virtual void fun_1();
    virtual void fun_3();
};

class Derived :public Base1 , public Base2{
public:
    virtual void fun_1();
};

结构：

vtable2.png

一些补充：

override 关键字：

派生类如果想要覆盖基类的虚函数，那么派生类的虚函数必须和基类声明完全一致。如果有不一致的情况，那么应该属于隐藏而不是覆盖。

class Base{
public:
    virtual void fun(){ cout << " Base fun" << endl; }
};

class Derived :public Base{
public:
    virtual void fun(int a) { cout << " Drtived fun" << endl;}
};

int main()
{
    Base *p = new Drtived();
    p->fun();  // 输出结果为 Base fun
    // p->fun(1); Error:函数调用中的参数过多
}

为了避免写代码时失误将派生类函数写错，C++提供了 override 关键字。使用 override 声明的成员函数如果在基类中找不到对应的虚函数，那么编译器会提醒。 override 使用如下：

   virtual void fun(int a) override { cout << " Drtived fun" << endl;}
   //Error : 使用 “override” 声明的成员函数不能重写基类成员

不过override 关键字需要编译器支持 C++11。

虚表的生命周期

我们来看以下代码：
在构造函数和析构函数中都调用了虚函数 fun

class Base{
public:
    virtual void fun(){ cout << " Base fun" << endl; }
    Base(){ fun(); }
    ~Base(){ fun(); }
};
int main()
{
    Base tmp;
}

输出：

Base fun
Base fun

结果显示，在构造函数调用时虚表已经创建好了。而释放是在析构函数之后的回收过程中。

虚析构函数

虚函数一般的意义是为了接口重用，如果派生类不会对其进行修改，就没有将其定义为虚函数的必要。但有一个例外就是虚析构函数。我们来看以下程序：

class Base{
public:
    Base(){ cout << "Base" << endl; }
    ~Base(){ cout << "~Base" << endl; }

};

class Derived :public Base{
public:
    Derived(){ cout << "Derived " << endl; }
    ~Derived(){ cout << "~Derived " << endl; }
};

int main()
{
    Base *p = new Derived();
    delete p;
}

执行结果：

Base
Derived 
~Base

也就是说，派生类的析构函数并没有被调用。这样的结果就会造成对象析构不完全，造成内存泄漏。如果在基类的析构函数前加上 virtual 修饰：

virtual ~Base(){ cout << "~Base" << endl; }

再次执行以上程序，输出结果为：

Base
Derived 
~Derived 
~Base

派生类析构函数被正确执行。

总结：

1.派生类是对基类的虚表进行修改，但并不是直接修改基类本身，所以基类与派生类的虚指针是不同的。这个很好理解，如果派生类直接对基类虚表进行修改，那直接实例化基类对象的时候不就会执行派生类的函数。而且在多个派生类的情况下，基类虚表结构就不明了。
  2.虚函数的意义其实是为了接口重用，一个类如果不需要根据实例化不同而有不同的展示，那么就没有必要将某些函数定义为虚函数。
  3.如果一个函数的实现本身没有合理的缺省值，那么应该将其定义为纯虚函数，由派生类去实现它。含有纯虚函数的类称为抽象类，抽象类的实例化没有意义，所以它不能直接实例化。
  4.如果派生类没有实现基类的纯虚函数，那么编译器会报错，因为外部调用时不能找到该函数的具体实现。
  5.尽量使用 override 来避免编码失误。
  6.如果一个类有作为基类的可能，那么尽量将析构函数加上 virtual 修饰。