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虛函數和多態

01 虛函數

virtualvirtualclass Base { virtual int Fun() ; // 虛函數};int Base::Fun() // virtual 字段不用在函數體時定義{ }

02 多態的表現形式一

「派生類的指針」可以賦給「基類指針」；

通過基類指針調用基類和派生類中的同名「虛函數」時:若該指針指向一個基類的對象，那么被調用是基類的虛函數；若該指針指向一個派生類的對象，那么被調用的是派生類的虛函數。

這種機制就叫做“多態”，說白點就是調用哪個虛函數，取決于指針對象指向哪種類型的對象。

// 基類class CFather {public: virtual void Fun() { } // 虛函數};// 派生類class CSon : public CFather { public : virtual void Fun() { }};int main() { CSon son; CFather *p = &son; p->Fun(); //調用哪個虛函數取決于 p 指向哪種類型的對象 return 0;}

上例子中的 p 指針對象指向的是 CSon 類對象，所以 p->Fun() 調用的是 CSon 類里的 Fun 成員函數。

03 多態的表現形式二

派生類的對象可以賦給基類「引用」

通過基類引用調用基類和派生類中的同名「虛函數」時:若該引用引用的是一個基類的對象，那么被調用是基類的虛函數；若該引用引用的是一個派生類的對象，那么被調用的是派生類的虛函數。

這種機制也叫做“多態”，說白點就是調用哪個虛函數，取決于引用的對象是哪種類型的對象。

// 基類class CFather {public: virtual void Fun() { } // 虛函數};// 派生類class CSon : public CFather { public : virtual void Fun() { }};int main() { CSon son; CFather &r = son; r.Fun(); //調用哪個虛函數取決于 r 引用哪種類型的對象 return 0;}}

上例子中的 r 引用的對象是 CSon 類對象，所以 r.Fun() 調用的是 CSon 類里的 Fun 成員函數。

04 多態的簡單示例

class A {public : virtual void Print() { cout << "A::Print"<

A類、B類、E類、D類的關系如下圖：

int main() { A a; B b; E e; D d; A * pa = &a; B * pb = &b; D * pd = &d; E * pe = &e; pa->Print(); // a.Print()被調用，輸出：A::Print pa = pb; pa -> Print(); // b.Print()被調用，輸出：B::Print pa = pd; pa -> Print(); // d.Print()被調用，輸出：D::Print pa = pe; pa -> Print(); // e.Print()被調用，輸出：E::Print return 0;}

05 多態作用

在面向對象的程序設計中使用「多態」，能夠增強程序的可擴充性，即程序需要修改或增加功能的時候，需要改動和增加的代碼較少。

LOL 英雄聯盟游戲例子

下面我們用設計 LOL 英雄聯盟游戲的英雄的例子，說明多態為什么可以在修改或增加功能的時候，可以較少的改動代碼。

LOL 英雄聯盟是 5v5 競技游戲，游戲中有很多英雄，每種英雄都有一個「類」與之對應，每個英雄就是一個「對象」。

英雄之間能夠互相攻擊，攻擊敵人和被攻擊時都有相應的動作，動作是通過對象的成員函數實現的。

下面挑了五個英雄：

探險家 CEzreal

蓋樓 CGaren

盲僧 CLeesin

無極劍圣 CYi

瑞茲 CRyze

基本思路：

為每個英雄類編寫 Attack 、 FightBack 和 Hurted 成員函數。

AttackFightBackHurted

設置基類 CHero ，每個英雄類都繼承此基類

02 非多態的實現方法

// 基類class CHero {protected: int m_nPower ; //代表攻擊力 int m_nLifeValue ; //代表生命值};// 無極劍圣類class CYi : public CHero {public: // 攻擊蓋倫的攻擊函數 void Attack(CGaren * pGaren) { .... // 表現攻擊動作的代碼 pGaren->Hurted(m_nPower); pGaren->FightBack(this); } // 攻擊瑞茲的攻擊函數 void Attack(CRyze * pRyze) { .... // 表現攻擊動作的代碼 pRyze->Hurted(m_nPower); pRyze->FightBack( this); } // 減少自身生命值 void Hurted(int nPower) { ... // 表現受傷動作的代碼 m_nLifeValue -= nPower; } // 反擊蓋倫的反擊函數 void FightBack(CGaren * pGaren) { ...．// 表現反擊動作的代碼 pGaren->Hurted(m_nPower/2); } // 反擊瑞茲的反擊函數 void FightBack(CRyze * pRyze) { ...．// 表現反擊動作的代碼 pRyze->Hurted(m_nPower/2); }};

有 n 種英雄， CYi 類中就會有 n 個 Attack 成員函數，以及 n 個 FightBack成員函數。對于其他類也如此。

如果游戲版本升級，增加了新的英雄寒冰艾希 CAshe ，則程序改動較大。所有的類都需要增加兩個成員函數:

void Attack(CAshe * pAshe);void FightBack(CAshe * pAshe);

這樣工作量是非常大的！！非常的不人性，所以這種設計方式是非常的不好！

03 多態的實現方式

用多態的方式去實現，就能得知多態的優勢了，那么上面的栗子改成多態的方式如下：

// 基類class CHero {public: virtual void Attack(CHero *pHero){} virtual voidFightBack(CHero *pHero){} virtual void Hurted(int nPower){}protected: int m_nPower ; //代表攻擊力 int m_nLifeValue ; //代表生命值};// 派生類 CYi:class CYi : public CHero {public: // 攻擊函數 void Attack(CHero * pHero) { .... // 表現攻擊動作的代碼 pHero->Hurted(m_nPower); // 多態 pHero->FightBack(this); // 多態 } // 減少自身生命值 void Hurted(int nPower) { ... // 表現受傷動作的代碼 m_nLifeValue -= nPower; } // 反擊函數 void FightBack(CHero * pHero) { ...．// 表現反擊動作的代碼 pHero->Hurted(m_nPower/2); // 多態 }};

如果增加了新的英雄寒冰艾希 CAshe ，只需要編寫新類 CAshe ，不再需要在已有的類里專門為新英雄增加：

void Attack( CAshe * pAshe) ;void FightBack(CAshe * pAshe) ;

所以已有的類可以原封不動，那么使用多態的特性新增英雄的時候，可見改動量是非常少的。

多態使用方式：

void CYi::Attack(CHero * pHero) { pHero->Hurted(m_nPower); // 多態 pHero->FightBack(this); // 多態}CYi yi; CGaren garen; CLeesin leesin; CEzreal ezreal;yi.Attack( &garen ); //(1)yi.Attack( &leesin ); //(2)yi.Attack( &ezreal ); //(3)

根據多態的規則，上面的(1)，(2)，(3)進入到 CYi::Attack 函數后

，分別調用：

CGaren::HurtedCLeesin::HurtedCEzreal::Hurted

多態的又一例子

出一道題考考大家，看大家是否理解到了多態的特性，下面的代碼， pBase->fun1() 輸出結果是什么呢？

class Base {public: void fun1() { fun2(); } virtual void fun2() // 虛函數 { cout << "Base::fun2()" << endl; }};class Derived : public Base {public: virtual void fun2() // 虛函數 { cout << "Derived:fun2()" << endl; }};int main() { Derived d; Base * pBase = & d; pBase->fun1(); return 0;}

是不是大家覺得 pBase 指針對象雖然指向的是派生類對象，但是派生類里沒有 fun1 成員函數，則就調用基類的 fun1 成員函數， Base::fun1() 里又會調用基類的 fun2 成員函數，所以輸出結果是 Base::fun2() ？

假設我把上面的代碼轉換一下，大家還覺得輸出的是 Base::fun2() 嗎？

class Base {public: void fun1() { this->fun2(); // this是基類指針，fun2是虛函數，所以是多態 }}

this 指針的作用就是指向成員函數所作用的對象，所以非靜態成員函數中可以直接使用 this 來代表指向該函數作用的對象的指針。

pBase 指針對象指向的是派生類對象，派生類里沒有 fun1 成員函數，所以就會調用基類的 fun1 成員函數，在 Base::fun1() 成員函數體里執行 this->fun2() 時，實際上指向的是派生類對象的 fun2 成員函數。

所以正確的輸出結果是：

Derived:fun2()

所以我們需要注意：

在非構造函數，非析構函數的成員函數中調用「虛函數」，是多態!!!

構造函數和析構函數中存在多態嗎？

在構造函數和析構函數中調用「虛函數」，不是多態。編譯時即可確定，調用的函數是自己的類或基類中定義的函數，不會等到運行時才決定調用自己的還是派生類的函數。

我們看如下的代碼例子，來說明：

// 基類class CFather {public: virtual void hello() // 虛函數 { cout<<"hello from father"<hello(); //多態 return 0;}

輸出結果：

hello from son // 構造son對象時執行的構造函數hello from son // 多態bye from father // son對象析構時，由于CSon類沒有bye成員函數，所以調用了基類的bye成員函數

多態的實現原理

「多態」的關鍵在于通過基類指針或引用調用一個虛函數時，編譯時不能確定到底調用的是基類還是派生類的函數，運行時才能確定。

我們用 sizeof 來運算有有虛函數的類和沒虛函數的類的大小，會是什么結果呢？

class A {public: int i; virtual void Print() { } // 虛函數};class B{public: int n; void Print() { } };int main() { cout << sizeof(A) << ","<< sizeof(B); return 0;}

在64位機子，執行的結果：

16,4

從上面的結果，可以發現有虛函數的類，多出了 8 個字節，在 64 位機子上指針類型大小正好是 8 個字節，這多出 8 個字節的指針有什么作用呢？

01 虛函數表

每一個有「虛函數」的類（或有虛函數的類的派生類）都有一個「虛函數表」，該類的任何對象中都放著虛函數表的指針。「虛函數表」中列出了該類的「虛函數」地址。

多出來的 8 個字節就是用來放「虛函數表」的地址。

// 基類class Base {public: int i; virtual void Print() { } // 虛函數};// 派生類class Derived : public Base{public: int n; virtual void Print() { } // 虛函數};

上面 Derived 類繼承了 Base類，兩個類都有「虛函數」，那么它「虛函數表」的形式可以理解成下圖：

多態的函數調用語句被編譯成一系列根據基類指針所指向的（或基類引用所引用的）對象中存放的虛函數表的地址，在虛函數表中查找虛函數地址，并調用虛函數的指令。

02 證明虛函數表指針的作用

在上面我們用 sizeof 運算符計算了有虛函數的類的大小，發現是多出了 8 字節大小（64位系統），這多出來的 8 個字節就是指向「虛函數表的指針」。「虛函數表」中列出了該類的「虛函數」地址。

下面用代碼的例子，來證明「虛函數表指針」的作用：

// 基類class A {public: virtual void Func() // 虛函數 { cout << "A::Func" << endl; }};// 派生類class B : public A {public: virtual void Func() // 虛函數 { cout << "B::Func" << endl; }};int main() { A a; A * pa = new B(); pa->Func(); // 多態 // 64位程序指針為8字節 int * p1 = (int *) & a; int * p2 = (int *) pa; * p2 = * p1; pa->Func(); return 0;}

輸出結果：

B::FuncA::Func

第 25-26 行代碼中的 pa 指針指向的是 B 類對象，所以 pa->Func() 調用的是 B 類對象的虛函數 Func() ，輸出內容是 B::Func ；

第 29-30 行代碼的目的是把 A 類的頭 8 個字節的「虛函數表指針」存放到 p1 指針和把 B 類的頭 8 個字節的「虛函數表指針」存放到 p2 指針；

第 32 行代碼目的是把 A 類的「虛函數表指針」賦值給 B 類的「虛函數表指針」，所以相當于把 B 類的「虛函數表指針」替換成了 A 類的「虛函數表指針」；

由于第 32 行的作用，把 B 類的「虛函數表指針」替換成了 A 類的「虛函數表指針」，所以第 33 行調用的是 A 類的虛函數 Func() ，輸出內容是 A::Func

通過上述的代碼和講解，可以有效的證明了「虛函數表的指針」的作用，「虛函數表的指針」指向的是「虛函數表」，「虛函數表」里存放的是類里的「虛函數」地址，那么在調用過程中，就能實現多態的特性。

虛析構函數

析構函數是在刪除對象或退出程序的時候，自動調用的函數，其目的是做一些資源釋放。

那么在多態的情景下，通過基類的指針刪除派生類對象時，通常情況下只調用基類的析構函數，這就會存在派生類對象的析構函數沒有調用到，存在資源泄露的情況。

看如下的例子：

// 基類class A {public: A() // 構造函數 { cout << "construct A" << endl; } ~A() // 析構函數 { cout << "Destructor A" << endl; }};// 派生類class B : public A {public: B() // 構造函數 { cout << "construct B" << endl; } ~B()// 析構函數 { cout << "Destructor B" << endl; }};int main() { A *pa = new B(); delete pa; return 0;}

輸出結果：

construct Aconstruct BDestructor A

從上面的輸出結果可以看到，在刪除 pa 指針對象時， B 類的析構函數沒有被調用。

解決辦法：把基類的析構函數聲明為virtual

派生類的析構函數可以 virtual 不進行聲明；

通過基類的指針刪除派生類對象時，首先調用派生類的析構函數，然后調用基類的析構函數，還是遵循「先構造，后虛構」的規則。

將上述的代碼中的基類的析構函數，定義成「虛析構函數」：

// 基類class A {public: A() { cout << "construct A" << endl; } virtual ~A() // 虛析構函數 { cout << "Destructor A" << endl; }};

輸出結果：

construct Aconstruct BDestructor BDestructor A

所以要養成好習慣:

一個類如果定義了虛函數，則應該將析構函數也定義成虛函數;