虚函数实现多态原理

1 问题

在C++中，运行时多态是通过虚函数来实现的。本文将讨论关于虚函数实现多态的问题：

• 相信大家都知道怎么使用虚函数实现多态，但是它的原理是什么呢？
• 构造函数可以声明为虚函数吗？为什么？
• 析构函数可以声明为虚函数吗？为什么？

2 概念

2.1 虚表和虚表指针

要理解虚函数实现多态的原理，我们首先要知道 虚表 和 虚表指针 的概念：

• 含有虚成员函数的类称为虚类，如果一个类是虚类，那么编译器会自动为其添加一个虚表（虚函数表）和一个称为虚表指针（指向虚表的的指针，__vptr）的数据成员；

虚表

• 每个虚类，都有一个虚函数表；
• 本质上是一个指针数组，其中元素为指向该类的虚成员函数的函数指针；
• 属于类，为该类的所有对象所共用；（static？）
• 在编译阶段就已经被确定了。（const？）

虚表指针

• 属于对象，是编译器自动添加的一个指针成员变量；
• 虚表指针，在构造函数中初始化；

2.2 虚函数调用过程

现有基类对象指针p和基类虚函数func1

class Base {
public:
	...
	virtual void func1() {
		...
	}
	...
};
int main() {
	Base* p = new Base();
	p->func1();
	return 0;
}

在执行 “p->func1();” 时，主要步骤有：

• 首先发现 p 是一个指针，且调用的函数 func1 是一个虚函数；
• 此时会通过该对象的虚表指针 __ptr 访问到它的虚表，然后在虚表中查找虚函数func1所对应的函数指针；
• 根据函数指针找到函数func1，并执行。

3 虚函数实现多态原理

现假设已有 Base 和 Derived 两个类，具体情况如下：

#include 
using namespace std;

class Base {
public:
	virtual void func1() {
		cout << "Base func1 called." << endl;
	}
	virtual void func2() {
		cout << "Base func2 called." << endl;
	}
	void func3() {
		cout << "Base func3 called." << endl;
	}
private:
	int x;
	int y;
};
class Derived : public Base {
public:
	virtual void func1() {
		cout << "Derived func1 called." << endl;
	}
	virtual void func2() {
		cout << "Derived func2 called." << endl;
	}
	virtual void func4() {
		cout << "Derived func4 called." << endl;
	}
private:
	int z;
};

基类Base具有三个成员函数，其中func1和func2为虚函数，func3为普通成员函数；派生类Derived对func1和func2进行了重写，并新添加了一个虚函数func4。以下为多态的示例代码：

Base* ptrBase = new Derived();
ptrBase ->func1();	//显然输出：Derived func1 called.
ptrBase ->func2();	//显然输出：Derived func2 called.
ptrBase ->func3();	//显然输出：Base func3 called.
ptrBase ->func4();	//报错

分析如下

• 基类Base和派生类Derived都具有虚函数，均为虚类，因此都具有虚表和虚表指针。Base类的虚表vTableBase包含两个函数指针，第一个指向func1，第二个指向func2；Derived类的虚表vTableDerived包含三个函数指针，第一个指向func1，第二个指向func2，第三个指向func4。
• 首先，“new Derived();” 会调用构造函数，生成一个Derived类对象的指针（ptrDerived），并使该对象的虚表指针指向Derived类的虚表；然后，使用ptrDerived对ptrBase的数据成员（当然也包括虚表指针 __ptr ）进行初始化，使得ptrBase的虚表指针不再指向Base类的虚表，而是指向Derived类的虚表（实际上是Derived类虚表的子集，由于func4，不是Base的成员函数，所以该虚表中不会包含有func4的函数指针）即：此时 ptrBase所指对象的虚表依然包含2个函数指针，不过它们不再指向基类Base的成员函数func1 和 func2，而是指向派生类Derived的成员函数 func1 和 func2。
• 结合虚函数的调用过程：首先，ptrBase 是一个对象指针，且 func1 是一个虚函数，然后根据该对象的虚表指针 __vptr，找到其所指的虚表，接着找到虚函数 func1 的函数指针，并对其执行。由于此时虚表中虚函数 func1 的函数指针指向派生类Derived的虚函数 func1 ，所以，执行的是派生类的虚函数 func1。

4 构造函数可以声明为虚函数吗？

显然构造函数是不能声明为虚函数的。
我们知道，在调用虚函数前，需要先访问虚表指针，得到虚表，然后再执行虚表中相对应的函数。假设，现在将构造函数声明为虚函数：调用构造函数时，发现构造函数是一个虚函数，然后去访问虚表指针，可是虚表指针是在构造函数中进行初始化的，而目前构造并没有执行，也就是说，虚表指针还没有初始化，只是一个空值，理所当然的，也就找不到指向构造函数的函数指针，因此无法完成构造函数的调用。可见，构造函数是不能声明为虚函数的。

5 析构函数可以声明为虚函数吗？

1、当然是可以的，而且，为了防止内存泄漏，基类的析构函数必须声明为虚函数！
2、为什么将基类析构函数声明为虚函数，就可以防止内存泄漏？

• 如果没有将基类析构函数声明为虚函数，在释放指向派生类对象的基类指针的时候，只会调用基类的析构函数，而派生类的析构函数不会被调用，导致属于派生类的新添加的数据得不到释放，从而导致内存泄漏。
• 如果将析构函数声明为虚函数，在释放指向派生类对象的基类指针的时候，会调用派生类的析构函数，而派生类的析构函数会自动调用基类的析构函数，从而释放所有内存，避免了内存泄漏。

3、可是，有个问题，为什么将基类析构函数声明为虚函数之后，在释放指向派生类对象的基类指针时，调用的是派生类的析构函数？难道派生类的析构函数重写了基类的析构函数？不可能啊，基类析构函数和派生类析构函数的函数名不同，不能构成重写啊。

• 其实，析构函数是一个特殊的函数，编译器在编译时，析构函数的名字统一为destucter；
• 所以只要将基类的析构函数声明为虚函数，不管子类的析构函数前是否加virtual，都构成重写。这也就可以解释为什么将基类析构函数声明为虚函数，释放指向派生类对象的基类指针时，会调用派生类的析构函数，因为虚表中的函数指针指向的是派生类的析构函数。

6 参考文献

https://blog.csdn.net/lihao21/article/details/50688337（推荐，讲得很好）
https://blog.csdn.net/han8040laixin/article/details/81704165