Visual C++中的虚函数和纯虚函数的原理

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2024-02-12 09:59:18

我是荔园微风，作为一名在IT界整整25年的老兵，今天针对 Visual C++中的虚函数和纯虚函数的原理来聊聊。本文程序全部在Microsoft Visual Studio 2022上调试通过。

首先，先满足一下急性子的同学，因为有的同学是因为急于了解虚函数和纯虚函数才来看这篇帖子的，那你可以先这样理解：

C++中的虚函数就是JAVA中的普通函数， C++ 中的纯虚函数就是JAVA中的抽象函数， C++ 中的抽象类就是JAVA中的抽象类， C++ 中的虚基类就是JAVA中的接口。

这就是本人的学习方法和别人不一样的地方，我年轻时学C++始终不得要领，于是我把JAVA学会后再去学C++，就全都搞明白了。所以我的帖子都是用这种方法去学C++的。希望那些学C++很吃力的同学可以来借鉴我的这个学习方法。

好了，我们先来看一个程序，一个父亲和一个儿子，希望父亲的学习本领能被儿子继承下去。我们在儿子类中重新定义学习方法。我们希望如果对象是儿子，就调用儿子类的学习方法，如果对象是父亲，那么就调用父亲类的学习方法。

#include <iostream>
using namespace std;

class Father
{
public:
　　void eat()
　　{
  　　cout<<"eat"<<endl;
　　}
　　void run()
　　{
  　　cout<<"run"<<endl;
   }
　　void study()
　　{
　  　cout<<"study"<<endl;
　　}
};

class Son : public Father
{
public:
　　void study()
   {
　  　cout<<"new study"<<endl;
　　}
};

void fn(Father *p)
{
    p->study();
}

int main()
{
　　Father *p;
　　Son boy;
　　p=&boy;
　　fn(p);
　　return 0;
}

我们在儿子类中重新定义了study()方法，上一代人可能喜欢用做笔记的方法来学习，而新一代人总是有新的学习方法的吧，比如在设计好的教学游戏中学习，哈哈。接着定义了一个全局函数fn(),指向父亲类的指针作为 fn()函数的参数。在main()函数中,定义了一个儿子类的对象，将它的地址赋给了指向父亲类的指针变量 p,然后调用 fn()函数。当我们将儿子类的对象boy的地址直接赋给指向父亲类的指针变量，C+编译器居然不报错。这是因为儿子对象也是一个父亲对象，将儿子类型转换为父亲类型不用强制类型转换，C++编译器会自动进行这种转换。反过来，则不能把父亲对象看成是儿子对象,如果一个父亲对象确实是儿子对象,那么在程序中需要进行强制类型转换，这样编译才不会报错。

大家可以猜想一下上面程序运行的结果，输出的结果是“study”，为什么输出的结果不是“new study”呢？这是因为在我们将儿子类的对象fh的地址赋给p时，C++编译器进行了类型转换，此时C++编译器认为变量p保存的就是父亲对象的地址。当在 fn函数中执行p->study()时，调用的当然就是父亲对象的study函数。为了帮助大家更好地理解对象类型的转换，我们给出了儿子对象内存模型，如图所示：

当构造儿子类的对象时，首先要调用父亲类的构造函数去构造父亲类的对象，然后才调用儿子类的构造函数构完成自身部分的构造，从而拼接出一个完整的儿子对象。

当我们将儿子类的对象转换为父亲类型时，该对象就被认为是原对象整个内存模型的上半部分，也就是上图中的“父亲的对象所占内存”。当我们利用型转换后的对象指针去调用它的方法时，自然也就是调用它所在的内存中的方法。

现在我们在父亲类的study()方法前面加上一个virtual关键字，

#include <iostream>
using namespace std;

class Father
{
public:
　　void eat()
　　{
  　　cout<<"eat"<<endl;
　　}
　　void run()
　　{
  　　cout<<"run"<<endl;
   }
　　virtual void study()
　　{
　  　cout<<"study"<<endl;
　　}
};

class Son : public Father
{
public:
　　void study()
   {
　  　cout<<"new study"<<endl;
　　}
};

void fn(Father *p)
{
    p->study();
}

int main()
{
　　Father *p;
　　Son boy;
　　p=&boy;
　　fn(p);
　　return 0;
}

用virtual关键字申明的函数叫作虚函数。运行这个程序，结果调用的是儿子类的学习方法。程序输出结果是“new study”。

这就是C++中的多态性。当C++编译器在编译的时候，发现父亲类的study()函数是虚函数，这个时候C++就会采用迟绑定（latebinding）技术。也就是编译时并不确定具体调用的函数，而是在运行时，依据对象的类型（在程序中，我们传递的儿子类对象的地址)来确认调用的是哪一个函数，这种能力就叫作C++的多态性。我们没有在study()函数前加virtual关键字时，C++编译器在编译时就确定了哪个函数被调用，这叫作早期绑定(early binding)。

C++的多态性概括就是：在基类的函数前加上 virtual关键字，在派生类中重写该函数，运行时将会根据对象的实际类型来调用相应的函数。如果对象类型是派生类，就调用派生类的函数；如果对象类型是基类，就调用基类的函数。

下面我们将study()函数申明为纯虚函数，会了发生什么事呢？

#include <iostream>
using namespace std;

class Father
{
public:
　　void eat()
　　{
  　　cout<<"eat"<<endl;
　　}
　　void run()
　　{
  　　cout<<"run"<<endl;
   }
　　virtual void study()=0；
};

class Son : public Father
{
public:
　　void study()
   {
　  　cout<<"new study"<<endl;
　　}
};

void fn(Father *p)
{
    p->study();
}

int main()
{
　　Father *p;
　　Son boy;
　　p=&boy;
　　fn(p);
　　return 0;
}

纯虚函数是指被标明为不具体实现的虚成员函数（注意：纯虚函数也可以有函数体，但这种提供函数体的用法很少见)。纯虚函数可以让类先具有一个操作名称，而没有操作内容，让派生类在继承时再去具体地给出定义。含有纯虚函数的类叫作抽象类，这种类不能声明对象，只是作为基类为派生类服务。在派生类中必须完全实现基类的纯虚函数，否则，派生类也变成了抽象类，不能实例化对象。