C++中虚函数和纯虚函数的问题总结

目录

C++中虚函数和纯虚函数的问题总结

虚函数

虚函数的定义

虚函数的目的

纯虚函数

纯虚函数的定义

纯虚函数的特点

虚函数相关问题

问题一：基类的虚函数表存放在内存的什么位置，虚表指针vptr的初始化时间

问题二：虚函数能否声明为内联函数？

问题三：构造函数为什么不能为虚函数？析构函数为什么要虚函数？

问题四：构造函数和析构函数可以调用虚函数吗？

问题五：静态成员函数static能定义为虚函数吗？常成员函数const呢？

问题六：哪些函数不能是虚函数？

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C++中虚函数和纯虚函数的问题总结

虚函数

虚函数的定义

在C++中，在成员函数的声明中加上关键字virtual即可声明该函数为虚函数。

虚函数的目的

虚函数在面向对象的程序设计中实现了多态中的动态绑定问题：

在面向对象程序设计中，派生类继承自基类。使用基类指针或引用访问派生类对象时。如果派生类覆盖了基类中的方法，通过上述指针或引用调用该方法时，可以有两种结果：

1. 调用到基类的方法：编译器根据指针或引用的类型决定，称作“静态绑定”；
2. 调用到派生类的方法：语言的运行时系统根据对象的实际类型决定，称作“动态绑定”。

虚函数的效果属于后者。

如果基类中的函数是“虚”的，则调用到的都是在运行时最终派生类中的函数实现，与指针或引用的类型无关。

如果函数非“虚”，调用到的函数就在编译期根据指针或者引用所指向的类型决定。

例如：

#include 
using namespace std;
class Base {
public:
    virtual void Max() {
        cout << "Max 1" << endl;
    }
};
class Son : public Base{//继承
public:
    void Max() {
        cout << "Max 2" << endl;
    }
    void Min() {
        cout << "Min" << endl;
    }
};
int main() {
    cout << "----------1------------" << endl;
    Base base;
    base.Max();
    cout << "----------2------------" << endl;
    Base* base1 = new Son;//指针访问
    base1->Max();
    //base1.Min();  //会报错，无法调用非虚函数
    cout << "----------3------------" << endl;
    Son son1;
    Base& base3 = son1; //引用访问实现动态绑定，创建时必须初始化
    base3.Max();
    //base3.Min();  //会报错，无法调用非虚函数
    return 0;
}

结果：

 

注意：引用访问实现动态绑定时，创建对象时必须初始化；指针则可以先声明再初始化。并且只能调用虚函数（调用非虚函数会报错，如例子中的Min()函数所示）。

继承时，虚函数的属性也被继承了，就算子类重写的成员函数中不写“virtual“，系统会默认它是虚函数。

例如：

#include 
using namespace std;
class Base {
public:
    virtual void Max() {
        cout << "Max 1" << endl;
    }
};
class Son : public Base{
public:
    void Max() {
        cout << "Max 2" << endl;
    }
};
class GrandSon : public Son{//
public:
    void Max() {
        cout << "Max 3" << endl;
    }
};
int main() {
    cout << "----------1------------" << endl;
    Base base;
    base.Max();
    cout << "----------2------------" << endl;
    Base* base1 = new GrandSon;
    base1->Max();
    return 0;
}

其中，Son类中的Max()函数没有标明“virtual”，但是它是重写的Base类中的函数，因此会默认为虚函数。因此在GrandSon类中，Max()函数仍能实现重写操作，能够实现动态绑定。（对重载、重写、隐藏有疑问的可以参考一文彻底解决C++中的重载、重写和隐藏操作）

结果：

 

纯虚函数

纯虚函数的定义

纯虚函数只是相当于一个接口名，含有纯虚函数的类不能够实例化。纯虚函数首先是虚函数，其次它没有函数体，取而代之的是用“=0”。

纯虚函数的特点

一个类中如果有纯虚函数的话，称其为抽象类。抽象类不能用于实例化对象，否则会报错。抽象类一般用于定义一些公有的方法。子类继承抽象类也必须实现其中的纯虚函数才能实例化对象。

例如：

#include 
using namespace std;
class Base {
public:
    virtual void Max() {
        cout << "Max 1" << endl;
    }
    virtual void Min() = 0; //纯虚函数
};
class Son : public Base{//继承
public:
    void Max() {
        cout << "Max 2" << endl;
    }
    void Min() {
        cout << "Min" << endl;//子类实现纯虚函数
    }
};
int main() {
    cout << "----------1------------" << endl;
    //Base base; //报错，含有纯虚函数，不能实例化
    //base.Max();
    cout << "----------2------------" << endl;
    Base* base1 = new Son;//指针访问
    base1->Max();
    base1->Min();  //
    return 0;
}

结果： 

 

虚函数相关问题

问题一：基类的虚函数表存放在内存的什么位置，虚表指针vptr的初始化时间

虚函数表vtable在Linux/Unix中存放在可执行文件的只读数据段中(rodata)，也就是内存模型中的常量区中。而虚函数位于代码区。

由于虚表指针vptr跟虚函数密不可分，对于有虚函数或者继承于拥有虚函数的基类，对该类进行实例化时，在构造函数执行时会对虚表指针进行初始化，并且存在对象内存布局的最前面。

问题二：虚函数能否声明为内联函数？

首先，声明为inline的函数，编译器也不一定真实实现内联，还得看函数简不简单。

将虚函数声明为inline，要分情况讨论。因为虚函数可以实现多态（在运行时决定），而inline是在编译时由编译器决定是否内联。所以将虚函数声明为inline分为以下两种情况：

1.当是指向派生类的指针（多态性）调用声明为inline的虚函数时，不会内联展开；

2.当是对象本身调用虚函数时，会内联展开（前提是函数并不复杂的情况下），但是这也并没有实现虚函数的作用。

问题三：构造函数为什么不能为虚函数？析构函数为什么要虚函数？

构造函数：

构造函数不能定义为虚函数。在构造函数中可以调用虚函数，不过此时调用的是正在构造的类中的虚函数，而不是子类的虚函数，因为此时子类尚未构造好。

原因：虚函数对应一个vtable(虚函数表)，类中存储一个vptr指向这个vtable。如果构造函数是虚函数，就需要通过vtable调用，可是对象没有初始化就没有vptr，无法找到vtable，所以构造函数不能是虚函数。

析构函数：

析构函数可以为虚函数，并且一般情况下基类析构函数要定义为虚函数。

原因：从上面析构函数的调用顺序可知，首先要调用派生子类的析构函数。因此只有在基类析构函数定义为虚函数时，调用操作符delete销毁指向对象的基类指针时，才能准确调用派生类的析构函数（从该级向上按序调用虚函数），才能准确销毁数据。

另外析构函数可以是纯虚函数，含有纯虚函数的类是抽象类，此时不能被实例化。但派生类中可以根据自身需求重新改写基类中的纯虚函数。

问题四：构造函数和析构函数可以调用虚函数吗？

在C++中，可以调用，但不提倡；

① 我们调用虚函数，一般就是使用其动态联编的功能。但是构造函数和析构函数调用虚函数时都不使用动态联编，如果在构造函数或析构函数中调用虚函数，则运行的是为构造函数或析构函数自身类型定义的版本；

② 构造函数时，因为父类对象会在子类之前进行构造，此时子类部分的数据成员还未初始化，因此C++不会进行动态联编；

③析构函数是用来销毁一个对象的，在销毁一个对象时，先调用子类的析构函数，然后再调用基类的析构函数。所以在调用基类的析构函数时，派生类对象的数据成员已经销毁，也没有使用动态联编。

问题五：静态成员函数static能定义为虚函数吗？常成员函数const呢？

static静态成员函数不能定义为虚函数。

static成员不属于任何类对象或类实例，静态成员函数没有this指针。

虚函数依靠vptr和vtable来处理。vptr是一个指针，在类的构造函数中创建生成，并且只能用this指针来访问它，因为它是类的一个成员，并且vptr指向保存虚函数地址的vtable。而对于静态成员函数，它没有this指针，所以无法访问vptr。

const成员函数可以是虚函数。这样声明该函数都是“只读”操作。

问题六：哪些函数不能是虚函数？

① 构造函数

② 内联函数

③ 静态函数，静态函数不属于对象属于类，静态成员函数没有this指针，因此静态函数设置为虚函数没有任何意义。

④ 友元函数，友元函数不属于类的成员函数，不能被继承。对于没有继承特性的函数没有虚函数的说法。

⑤ 普通函数，普通函数不属于类的成员函数，不具有继承特性，因此普通函数没有虚函数。