c++什么是虚函数 (virtual function)_c++多态与虚函数原理说明

虚函数通过virtual关键字实现多态,允许派生类重写函数,调用时根据对象实际类型确定执行版本。1. 基类声明virtual函数,派生类可override;2. 通过基类指针或引用调用时,程序依据对象类型而非指针类型选择函数;3. C++底层通过vtable和vptr实现动态绑定,每个含虚函数的类有vtable存储函数地址,每个对象含vptr指向对应vtable;4. 纯虚函数以“=0”声明,使类成为抽象类,不可实例化;5. 派生类必须实现所有纯虚函数才能实例化;6. 多态提升接口统一性与扩展性,理解vtable机制有助于优化性能。

c++什么是虚函数 (virtual function)_c++多态与虚函数原理说明

虚函数是 C++ 实现多态的关键机制。它允许在基类中声明一个函数为 virtual,这样在派生类中可以重写(override)这个函数。当通过基类指针或引用调用该函数时,程序会根据对象的实际类型来决定调用哪个版本的函数,而不是仅仅依据指针或引用的类型。

虚函数的基本语法与使用

在基类中,使用 virtual 关键字声明成员函数:

class Base {public:    virtual void show() {        std::cout << "Base class shown";    }};

class Derived : public Base {public:void show() override { // 重写基类虚函数std::cout << "Derived class shown";}};

当我们用基类指针指向派生类对象并调用 show() 时:

Base* ptr = new Derived();ptr->show();  // 输出: Derived class show

虽然指针类型是 Base*,但实际调用的是 Derived 的 show() 函数,这就是多态的体现。

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虚函数实现多态的原理:虚函数表(vtable)

C++ 编译器通过虚函数表(virtual table,简称 vtable)和虚表指针(vptr)来实现动态绑定。

每个包含虚函数的类都有一个对应的虚函数表,表中存放了该类所有虚函数的地址。每个该类的对象内部会自动添加一个隐藏的指针(vptr),指向其所属类的虚函数表。当调用虚函数时,程序通过对象的 vptr 找到虚函数表,再从中查出对应函数的实际地址进行调用。

例如,上述代码中:

Base 类有一个 vtable,记录 Base::show() 的地址。Derived 类也有自己的 vtable,其中 Derived::show() 覆盖了继承自 Base 的条目。new Derived() 创建的对象包含一个 vptr,指向 Derived 的 vtable。ptr->show() 触发查表调用,最终执行 Derived::show()。

纯虚函数与抽象类

有时候我们希望基类中的虚函数没有具体实现,只作为接口存在。这时可以使用纯虚函数

class Shape {public:    virtual void draw() = 0;  // 纯虚函数};

class Circle : public Shape {public:void draw() override {std::cout << "Drawing a circlen";}};

含有纯虚函数的类称为抽象类,不能实例化对象。只有派生类实现了所有纯虚函数后,才能创建该派生类的对象。

基本上就这些。虚函数让 C++ 支持运行时多态,是面向对象编程中实现接口统一、行为多样的核心工具。理解 vtable 机制有助于掌握其底层工作方式,写出更高效的代码。不复杂但容易忽略细节。

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