虚函数

虚函数的定义？

虚函数是在基类中使用关键字 virtual 声明的成员函数，它允许派生类对其进行重写（Override），实现运行时多态。当通过基类指针或引用调用虚函数时，实际调用的是对象类型对应的派生类中的函数，这个过程称为动态绑定（Dynamic Binding）

#include<iostream>  
using namespace std;  
  
class A {  
public:  
    void foo() {  printf("1\n"); }  
    virtual void fun() {  printf("2\n");  }  // 虚函数
};  
class B : public A {  
public:  
    void foo() {  printf("3\n"); }  // 派生类的函数屏蔽了与其同名的基类函数
    void fun() {  printf("4\n"); }  // 重写虚函数
};  
int main(void) {  
    A a;  
    B b;  
    A *p = &a;  
    p->foo();  // 1
    p->fun();  // 2
    p = &b;  
    p->foo();  // 取决于指针类型，输出1
    p->fun();  // 取决于对象类型，输出4，体现了多态
    return 0;  
}

派生类B重写了A中的虚函数foo()，B中重写后的foo()同样是一个虚函数（不需要virtual显式标注）。如果B被继承，可以在子类中继续重写。

C++11引入的override和final关键字的作用？

• override：保证在派生类中声明的重载函数，与基类的虚函数有相同的签名
  • 函数签名不一致：不加override，会视为派生类中新定义的函数；加了override，会报错

  virtual void fun() override;
  

• final：阻止类的进一步派生 和 虚函数的进一步重写
  • 一个虚函数被定义为final，则派生类中不能再重写它

  virtual void fun() final;
  

虚函数的实现原理？虚函数表（vbtl）和虚函数表指针（vptr）

• 类 的 虚函数表（vbtl）
  • 当一个类中包含虚函数时，编译器会为该类生成虚函数表，表中保存着该类包含的虚函数的地址。“包含”的意思是继承的+自己新定义的
  • 如果在该类中重写了父类的虚函数A，那就在虚函数表中将A对应的地方，替换成重写后的虚函数的地址
  • 类自己新定义的虚函数，也要将其追加到某一张虚函数表上
  • 一个包含虚函数的类，至少有1张虚函数表，即使该类不重写任何虚函数
  • 一个类继承了n个有虚函数的基类，就有n张虚函数表
• 对象 的 虚函数表指针（vptr）
  • 当一个类中包含虚函数时，该类的对象将会拥有虚函数表指针（vptr），指向该类的虚函数表。虚函数表指针也称虚指针、虚表指针
  • 类有n张虚函数表，类的对象就有n个虚指针，每个指针指向1张虚函数表
    
• 虚函数的实现原理
  在程序运行时，找到动态绑定到基类指针上的对象，然后根据该对象的虚函数表指针找到对应的虚函数表，从而确定调用哪个版本的虚函数。
  

虚函数表、虚函数表指针的生成时期及存储位置？

• 虚函数表：在编译时生成，存储在只读数据段
• 虚函数表指针：在对象创建时生成，位置在对象的头部，根据对象创建方式存储在堆或栈上

含有虚函数的类的对象的大小？

前置知识：C++类对象大小的计算(一)常规类大小计算
含有虚函数的类的对象的大小 = 虚函数表指针（vptr）个数 x 指针大小 + 内存对齐后，对象拥有的非静态成员变量的大小

32位系统下，指针大小为4；64位系统下，指针大小为8。
在64位系统下考虑如下代码：

class Base1 {
public:
    int a;			// size: 4, 内存对齐后为 8
    static int b;	// 静态成员属于类，不计入大小
    virtual void func1() {}
};

class Base2 {
public:
    double c;		// size: 8
    virtual void func2() {}
};

class Derived : public Base1, public Base2 {
public:
    char d;			// size: 1, 内存对齐后为8
    virtual void func3() {}
};

Derived类的对象，共拥有a、c、d三个非静态成员变量，内存对齐后的总大小为8+8+8=24；Derived类的对象还拥有2个虚函数表指针，每个指针的大小为8，因此总的大小为24 + 2 x 8 = 40字节。

构造函数和析构函数可以是虚函数吗？

• 构造函数不能是虚函数
  • vptr是在构造函数中初始化的，如果将构造函数定义为虚函数，那么在调用构造函数前vptr还未生成，因此无法调用到该构造函数
• 析构函数应该为虚函数
  • 当基类的指针指向子类的对象时，如果基类的析构函数不为虚函数，那么销毁基类指针时，只会调用基类的析构函数，子类的对象无法被析构，造成内存泄漏

构造函数和析构函数中能否调用虚函数？

在构造函数和析构函数中调用虚函数，不会起到想要的结果。比较下面两段代码：

#include <iostream>

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

    void callShow() {
        std::cout << "Base callShow()" << std::endl;
        show();  // 调用虚函数
    }

    virtual ~Base() = default;
};

class Derived : public Base {
public:
    void show() override {
        std::cout << "Derived show()" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Derived d;
    d.callShow();  // 调用基类的成员函数，但期望调用派生类的虚函数
    return 0;
}
// Base callShow()
// Derived show()

这段代码中，虚函数show正确地表现出了多态性。而在构造函数和析构函数中调用，不能表现多态性。

#include <iostream>

class Base {
public:
    Base() {
        std::cout << "Base constructor" << std::endl;
        show();  // 调用虚函数
    }

    virtual void show() {
        std::cout << "Base show()" << std::endl;
    }

    virtual ~Base() {
        std::cout << "Base destructor" << std::endl;
        show();  // 再次调用虚函数
    }
};

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

    void show() override {
        std::cout << "Derived show()" << std::endl;
    }

    ~Derived() {
        std::cout << "Derived destructor" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Derived d;
    return 0;
}
// Base constructor
// Base show()
// Derived constructor
// Derived destructor
// Base destructor
// Base show()

在构造函数和析构函数中调用show()，show采用的是基类中的实现。这是因为，在调用到基类的构造函数和析构函数时，派生类中的内容尚没有被创建、或者已经被销毁了。

哪些函数不能是虚函数？

• 构造函数：执行构造函数前虚表指针尚未初始化，无法正确调用构造函数
• 内联函数：内联函数在编译阶段进行函数体的替换操作，而虚函数意味着在运行期间进行类型确定，所以内联函数不能是虚函数
• 静态函数：静态函数不属于对象属于类，静态成员函数没有this指针，因此静态函数设置为虚函数没有任何意义
• 友元函数，友元函数不属于类的成员函数，不能被继承。对于没有继承特性的函数没有虚函数的说法
• 普通函数，普通函数不属于类的成员函数，不具有继承特性，因此普通函数没有虚函数

总结：不能被继承的函数 和 不能被重写的函数 不能是虚函数

虚函数和纯虚函数的区别？

class A {  
	virtual void example() = 0;	// 纯虚函数
}

纯虚函数是虚函数的一种特殊形式，它的语法是在函数声明后加上’=0’。纯虚函数只有声明没有实现，含有纯虚函数的类称为抽象类，不能被实例化。它的派生类如果想被实例化，就必须实现所有的纯虚函数。

• 虚函数和纯虚函数都是实现多态性的工具。通过将基类的指针或引用指向派生类对象，可以在运行时调用派生类的重写方法。
• 虚函数提供了一个默认实现，但派生类可以选择重写它。纯虚函数则强制要求派生类必须提供自己的实现。

虚函数和模板的区别？

模版是一种编译时多态性技术，通过在编译时确定类型来生成特定的代码。
虚函数是运行时多态，在运行时根据对象的实际类型来调用相应的方法，从而实现多态性。

特性	模板（Templates）	虚函数（Virtual Functions）
决策时间	编译时	运行时
实现机制	编译时生成特定类型代码	通过虚函数表动态绑定
类型检查	编译时	运行时
运行时开销	无	有虚函数表查找开销
使用场景	泛型编程，STL容器	面向对象编程的多态行为