C++虚函数与多态

虚函数和多态

首先明确一个空类产生的对象的大小为1B，即使是一个空类，其实例化的对象至少占用1B的内存空间

class A {
};

int main() {
    A a;
    cout << sizeof(a) << endl;		//1
}

然后我们向类A中加入两个普通成员函数，对象的大小还是1B：

class A {
public:
    void func1() {}
    void func2() {}
};

int main() {
    A a;
    cout << sizeof(a) << endl;		//1
}

这说明A的普通成员函数，并不会占用类对象的内存空间。然而一旦我们向A中加入一个虚函数，其对象的大小变为8B：

class A {
public:
    void func1() {}
    void func2() {}
    virtual void vfunc() {}
};

int main() {
    A a;
    cout << sizeof(a) << endl;		//8
}

原因：当引入虚函数后，编译器在类中插入了一个虚函数表指针vptr，类似于下面的伪码：

class A{
public:
	void* vptr;
	...
};

而vtpr是占用类对象的内存空间的：

(gdb) p a
$1 = (A) {_vptr.A = 0x7ff771b64520 <vtable for A+16>}

当类A中至少包含一个虚函数，编译器会为类A产生一个虚函数表vtbl，这个虚函数表会一直伴随着类A，包括其装入内存

虚函数表指针被赋值的时机：执行A的构造函数时，让对象的虚函数指针指向类A的vtbl

每个类对象的虚函数表指针vptr指向这个类的虚函数表vtbl，编译器在编译期间在类A的构造函数内安插vptr的赋值语句，类似于下面的伪码：

class A {
public:
	A() {
		vptr = &A::vtbl;	//编译器做的
		...
	}
	void* vptr;
};

考虑如下的A类对象的内存布局：

class A {
public:
    void func1() {}
    void func2() {}
    virtual void vfunc() {}
    virtual void vfunc2() {}
    virtual ~A() {}
private:
	int m_a;
	int m_b;
};

(gdb) p a
$1 = (A) {_vptr.A = 0x7ff77a105520 , m_a = 0, m_b = 1}

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虚析构的作用

注意上面的例子中把A的析构函数设为虚函数，在实际开发中，这样做的目的是保证当用一个基类的指针删除一个派生类的对象时，派生类的析构函数会被调用，否则其只会调用基类的析构函数，如果派生类中有指针成员持有堆区内存，就得不到释放而造成内存泄漏

例如，这是正确的形式：

#include 
using namespace std;

class Base {
public:
    virtual ~Base() {
        cout << "Base dtor" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() {
        cout << "Derived dtor" << endl;
    }

};

int main () {
    Base* pb = new Derived();
    delete pb;
    return 0;
}

当delete父类指针时，子类的dtor也一同被调用：

$ g++ virtual-dtor.cpp 
$ ./a.out 
Derived dtor
Base dtor

如果去掉父类dtor前的virtual，则只会调用父类的dtor：

#include 
using namespace std;

class Base {
public:
    ~Base() {
        cout << "Base dtor" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() {
        cout << "Derived dtor" << endl;
    }

};

int main () {
    Base* pb = new Derived();
    delete pb;
    return 0;
}

$ g++ virtual-dtor.cpp 
$ ./a.out 
Base dtor

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多态：当通过父类指针指向子类对象，或通过父类引用绑定子类对象，调用父类中的虚函数，实际调用的是对应子类的虚函数

class Base {
public:
    virtual void myvirfunc() {}
};

int main() {
    Base* pb = new Base();
    pb->vfunc();	//this is polymorphic

    Base b;
    b.vfunc();		//this is not polymorphic

    Base* pb2 = &b;
    pb2->vfunc();	//this is polymorphic
}

多态的表现：

1. 程序中既存在父类也存在子类，父类中必须含有虚函数，子类中也必须重写父类中的虚函数
2. 父类指针指向子类对象，或者父类引用绑定子类对象
3. 当通过父类的指针或引用，调用子类中重写的虚函数时，就能看出多态性的表现了

下面的调用全是多态调用：

class Base {
public:
    virtual void myvirfunc() {}
};

class Derive : public Base {
public:
    virtual void myvirfunc() {}
};

int main() {
    //父类指针指向子类对象
    Derive d;
    Base* pb = &d;
    pb->myvirfunc();

    Base* pb2 = new Derive();
    pb2->myvirfunc();

    //父类引用绑定子类对象
    Derive d2;
    Base& rb = d2;
    rb.myvirfunc();
}

存在继承关系时虚函数表指针指向：

考虑下面的继承关系和重写：

class Base {
public:
	virtual void f() {}
	virtual void g() {}
	virtual void h() {}
};

class Derive :public Base {
public:
	virtual void g() {}		//rewrite g()
};

int main(int argc, char* argv[]) {
	Base b;
	Derive d;
	system("pause");
	return 0;
}

设父类有f(), g(), h()这三个虚函数，子类重写了父类中的g()虚函数，则父子类对象的虚函数表指针和虚函数表如下：

延申思考题：

1. 当进行多重继承时，子类对象有几个虚函数表指针？子类对象有几个虚函数表？
2. 虚基类表指针在对象内存中的布局？

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用C语言模拟多态

对于下面的多态实例：

#include 
using namespace std;

class ISpeaker {
protected:
    int b;
public:
    ISpeaker (int bb) : b(bb) {}
    virtual void speak() = 0;
};

class Dog : public ISpeaker {
public:
    Dog() : ISpeaker(0) {}
    virtual void speak() override {
        printf("woof %d\n", b);
    }
};

class Human : public ISpeaker {
private:
    int c;
public:
    Human() : ISpeaker(1), c(2) {}
    virtual void speak() override {
        printf("hello %d\n", c);
    }
};

int main(){
    ISpeaker* d = new Dog();
    ISpeaker* h = new Human();

    d->speak();
    h->speak();

    return 0;
}

其用C语言可以描述如下：

#include 
using namespace std;

extern "C" {
	//虚函数表类型
    struct vft {
        void (*speak) (void* ptr);
    };
	//Dog的speak方法
   void Dog_speak (void* ptr) {
        void* p = ptr + sizeof(vft*);
        int bb = *((int*)p);
        printf("woof %d\n", bb);
    }
	//Human的speak方法
    void Human_speak (void* ptr) {
        void* p = ptr + sizeof(vft) + sizeof(int);
        int cc = *((int*)p);
        printf("hello %d\n", cc);
    }
	//Dog的虚函数表，其speak函数指针指向Dog_seapk
    const static vft Dog_vft= {
        .speak = Dog_speak
    };
	//Human的虚函数表，其speak函数指针指向Human_speak
    const static vft Human_vft = {
        .speak = Human_speak
    };
	//基类型内存模型
    struct ISpeaker {
        const vft* vptr;
        int b;
    };
	//Dog类型内存模型
    struct Dog {
        const vft* vptr;
        int b;
    };
	//Human类型内存模型
    struct Human {
        const vft* vptr;
        int b;
        int c;
    };
 
    Dog* Dog_constructor() {
        Dog* d =(Dog*)malloc(sizeof(Dog));
        d->vptr = &Dog_vft;
        d->b = 0;
        return d;
    }

    Human* Human_constructor() {
        Human* h =(Human*)malloc(sizeof(Human));
        h->vptr = &Human_vft;
        h->b = 1;
        h->c = 2;
        return h;
    }   

    int main () {
        ISpeaker* s1 = (ISpeaker*)Dog_constructor();
        ISpeaker* s2 = (ISpeaker*)Human_constructor();
        
        s1->vptr->speak(s1);
        s2->vptr->speak(s2);
        return 0;
    }
}