C虚函数详解——让“小学生”理解多态的魔法前面我们讲过class封装继承public / private函数重载今天讲 C 面向对象中非常重要的一个概念虚函数virtual function它是 C 实现运行时多态Runtime Polymorphism的核心。一、为什么需要虚函数先看一个问题。假设我们有一个动物世界#includeiostream using namespace std; class Animal { public: void speak() { cout动物叫endl; } }; class Dog:public Animal { public: void speak() { cout小狗汪汪叫endl; } }; class Cat:public Animal { public: void speak() { cout小猫喵喵叫endl; } }; int main() { Animal *p; Dog dog; Cat cat; pdog; p-speak(); pcat; p-speak(); return 0; }你觉得输出是什么很多同学会认为小狗汪汪叫 小猫喵喵叫但是实际动物叫 动物叫为什么二、原因编译器只看指针类型关键代码Animal *p;p是什么它是一个Animal类型的指针虽然pdog;实际指向Dog对象但是编译器看到p.speak()它想p是Animal指针那调用Animal::speak()所以调用Animal::speak()这叫静态绑定也叫编译时多态决定函数的是指针或者引用的类型三、虚函数登场如果我们希望指向谁 调用谁怎么办给函数加virtual例如class Animal { public: virtual void speak() { cout动物叫endl; } };完整class Animal { public: virtual void speak() { cout动物叫endl; } }; class Dog:public Animal { public: void speak() { cout小狗汪汪叫endl; } }; class Cat:public Animal { public: void speak() { cout小猫喵喵叫endl; } };运行Animal *p; Dog dog; Cat cat; pdog; p-speak(); pcat; p-speak();输出小狗汪汪叫 小猫喵喵叫成功四、虚函数解决了什么问题一句话虚函数让程序在运行时根据对象真实类型决定调用哪个函数。也就是以前看爸爸现在看孩子本人例如Animal *pdog;表面Animal指针实际Dog对象虚函数发现真实对象是Dog 调用Dog::speak()五、生活中的例子比如父类交通工具有virtual move()子类汽车move() { 开车前进 }飞机move() { 飞起来 }轮船move() { 在水上航行 }然后Vehicle *p; pcar; p-move(); pplane; p-move(); pship; p-move();结果开车前进 飞起来 水上航行程序不用知道具体是什么交通工具。这就是多态六、虚函数底层怎么实现编译器会给含有虚函数的类增加虚函数表virtual table简称vtable例如class Animal { public: virtual void speak(); };编译器偷偷增加Animal对象 ------------- | vptr | ------------- | 成员变量 | -------------其中vptr叫虚函数指针。它指向虚函数表类似Animal vtable -------------- speak地址 --------------DogDog vtable -------------- Dog::speak地址 --------------运行p-speak();实际过程1. 找对象中的vptr 2. 找vtable 3. 找speak地址 4. 调用对应函数所以运行时决定七、虚函数必须重写吗不是。例如class Animal { public: virtual void speak() { cout动物叫; } };Dog:class Dog:public Animal { };没有写speak()那么Dog dog; dog.speak();调用动物叫八、什么是纯虚函数有时候父类不知道怎么实现。比如动物叫这个没有意义。可以写class Animal { public: virtual void speak()0; };这叫纯虚函数含有纯虚函数的类叫抽象类不能创建对象错误Animal a;但是可以Animal *p;九、虚函数可以声明为 inline 吗这是一个非常经典的问题。答案可以声明但是通常没有意义。例如class Animal { public: virtual inline void speak() { cout动物叫; } };语法合法。但是为什么说没有意义因为inline 的作用建议编译器把函数展开例如普通函数add(1,2);变成12减少函数调用开销。但是虚函数p-speak();运行时才知道调用谁。例如p可能指向Dog p可能指向Cat p可能指向Bird编译器无法提前确定到底展开哪个函数所以虚函数调用通常不能inline。十、那么虚函数一定不能inline吗更加准确不是绝对不能。有两种情况。情况1通过对象调用例如Dog dog; dog.speak();编译器知道一定是Dog::speak()可以优化inline。情况2通过基类指针调用例如Animal *p; p-speak();需要vtable查找通常无法inline。所以调用方式能否inlineDog对象直接调用可能Animal引用调用通常不能Animal指针调用通常不能十一、虚函数为什么不能是static错误class Animal { virtual static void speak(); };原因static函数属于类不是对象而虚函数依赖对象 | v vptr | v vtable没有对象就没有虚函数。所以static virtual 冲突十二、虚函数总结记住一句话普通函数看指针类型虚函数看对象真实类型。普通Animal *p 调用Animal函数虚函数Animal *p 发现真实对象Dog 调用Dog函数十三、面向对象三大核心学到这里C面向对象三个核心1. 封装隐藏细节private getter/setter2. 继承代码复用Dog is Animal3. 多态同一个接口不同表现Animal* | | Dog Cat Bird虚函数就是实现多态的关键。对于同学们可以把虚函数先理解为爸爸规定一个动作孩子可以重新定义程序运行时会自动找到真正孩子的动作。