C++ 多态性之虚函数&抽象类&纯虚函数

一. 虚函数

1.什么是虚函数：虚函数的定义是在基类中进行的，被 virtual 修饰的，当基类中的某个成员函数被声明为“虚函数”后，可以在一个或多个派生类中重新定义该函数，重新定义时，其函数原型（包括：返回类型，函数名，参数个数，参数类型以及参数顺序都必须与基类中的完全相同），一般虚函数的语法如下：

virtual <函数类型> <函数名>(形参表)

{

　　函数体;

}

注意：虚函数的作用是在允许在派生类中对基类中的虚函数进行重新定义，显然只能用于类的继承层次中。

使用虚函数的场景：

(1) 成员函数是否作为一个基类，是否在派生类中需要改动

(2) 对成员函数的调用，时候通过基类指针或引用

注意：虚函数 与 函数重载的区别，列子：

#include <iostream>
class base1
{
  public:  
            virtual void who()
            {cout << "This is the class of base1" << endl};
    
};

class base2
{
  public:  
            void who()
            {cout << "This is the class of base2" << endl};
    
};

class derive:public base1, public base2
{
  public:  
            void who()
            {cout << "This is the class of derive" << endl};
    
};

int main()
{
  base1 obj1, *ptr1;
  base2 obj2, *ptr2;
  derive obj3;
  ptr1 = &obj1;
  ptr1 -> who();
  ptr2 = &obj2;
  ptr2 -> who();
  ptr1 = &obj3;
  ptr1 -> who();
  ptr2 = &obj3;
  ptr2 -> who();
  
  return 0;
}

执行结果：

This is the class of base1
This is the class of base2
This is the class of derive
This is the class of base2

2. 多继承中的虚函数

在多继承中由于派生类是由多个基类派生而来的，因此虚函数的使用不想单继承那样简单。

列子：多继承中虚函数的传递

#include <iostream>
class base
{
  public:
           virtual void who
           { cout << "This is the class of base" << endl };  
};

class base1:public base
{
  public:
           void who()
           { cout << "This is the class of base1" << endl  };
};

class base2:public base
{
  public:
           void who()
           { cout << "This is the class of base2" << endl  };
};

class derive:public base1, publc base2
{
  public:
           void who()
           { cout << "This is the class of derive" << endl  };
};

int main()
{
  base1 *ptr1;
  base2 *ptr2;
  derive obj;
  ptr1 -> who();
  ptr2 = &obj;
  ptr2 -> who();

  return 0;  
}

执行结果：

This is the class of derive
This is the class of derive

进一步探讨虚函数与实函数的区别：

假设基类和派生类都只有一个公有的数据成员，其中类A 有vfunc1和func2 两个虚函数和 func1和func2两个实函数，类B派生自类A，类B改写vfunc1和vfunc2，它又作为类C 的基类，类C也改写 vfunc1 和 vfunc2.

下面给出3个类建立的 vptr 和 vtable直接的关系图以及实函数与虚函数的区别

 从图中可见，对象的起始地址是vptr，它指向vtable，vtable为每个虚函数建立一个指针函数，如果只是继承基类的虚函数，则他们调用基类的虚函数，这就是类B和类C中vtable表中的 (*vfunc2)() 项所描述的情况，如果派生类改写了基类的虚函数，则调用派生类中的函数，即类B 和类C 中 (*vfunc1)() 所描述的情况。

实函数不是通过地址调用的，他们由对象的名字调用来决定。

【程序实现】

#include <iostream>
using namespace std;
class  A
{
    public:
             int m_A;
             A(int a) { m_A = a };
             void func1() { cout << "A::func1()" << endl };
             void func2() { cout << "A::func2()" << endl };
             virtual void vfunc1() { cout << "A::vfunc1()" << endl };
             virtual void vfunc2() { cout << "A::vfunc2()" << endl };
};

class B:public A
{
    public:
             int m_B;
             B(int a, int b):A(a), m_B(b);
             void func1() { cout << "B::func1()" << endl };
             virtual void vfunc1() { cout << "B::vfunc1()" << endl };
}

class C:public B
{
   public:
             int m_C;
             C(int a,int b, int c):A(a), B(b), m_C(c);
             void func1() { cout << "C::func1()" << endl };
             void vfunc1() { cout << "C::vfunc1()" << endl };
}

void main()
{
    cout << sizeof(A) << sizeof(B) << sizeof (C) << endl;
    A a(11);
    B b(21,22);
    C c(31,32,33);
    cout << &a << &(a.m_A) << endl;
    cout << &b << &(b.m_A) << &(b.m_B) << endl;
    cout << &c << &(c.m_A) << &(c.m_B) << &(c.m_C) << endl;

    //使用基类A指针
   A* pa = &a; 
   pa -> func1();
    pa -> func2();
    pa ->vfunc1();
    pa -> vfunc2();      
   cout <<endl;
    pa = &b; 
    pa -> func1();
    pa -> func2();
    pa ->vfunc1();
    pa -> vfunc2();   
    cout <<endl;
    pa = &c; 
    pa -> func1();
    pa -> func2();
    pa ->vfunc1();
    pa -> vfunc2(); 
    //使用基类B指针
   B* pb = &b; 
    pb -> func1();
    pb -> func2();
    pb ->vfunc1();
    pb -> vfunc2();      
    cout <<endl;
    pb = &c;
    pb -> func1();
    pb -> func2();
    pb ->vfunc1();
    pb -> vfunc2();      
    cout << endl;
   //使用类C指针
   B* pc = &c; 
    pc -> func1();
    pc -> func2();
    pc ->vfunc1();
    pc -> vfunc2();      
    cout <<endl;
}    

虚函数的限制：
(1) 只有成员函数才能声明虚函数，因为虚函数只适用于有继承关系的类对象，所以普通函数不能声明为虚函数。

(2) 虚函数必须是非静态成员函数，因为静态成员函数不受限于某个对象。

(3) 内联函数不能声明为虚函数，因为内联函数不能在运行时动态确定其位置

(4) 构造函数不能声明为虚函数（多态性是指对象对同一消息有不同的处理方式，虚函数作为在运行时动态处理多态性的基础，主要是针对对象），构造函数是在对象产生之前运行的。

(5) 析构函数可以声明为虚函数（析构函数是在对象消亡之前运行的）。

二. 虚函数表

 对C++ 了解的人都应该知道虚函数（Virtual Function）是通过一张虚函数表（Virtual Table）来实现的。简称为V-Table。 在这个表中，主是要一个类的虚函数的地址表，这张表解决了继承、覆盖的问题，保证其容真实反应实际的函数。这样，在有虚函数的类的实例中这个表被分配在了 这个实例的内存中，所以，当我们用父类的指针来操作一个子类的时候，这张虚函数表就显得由为重要了，它就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。

 这里我们着重看一下这张虚函数表。在C++的标准规格说明书中说到，编译器必需要保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置（这是 为了保证正确取到虚函数的偏移量）。 这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表，然后就可以遍历其中函数指针，并调用相应的函数。  
听我扯了那么多，我可以感觉出来你现在可能比以前更加晕头转向了。 没关系，下面就是实际的例子，相信聪明的你一看就明白了。  假设我们有这样的一个类：

#include <iostream>
class Base 
{  
    public:  
        virtual void f() { cout << "Base::f" << endl }; 
        virtual void g() { cout << "Base::g" << endl }; 
        virtual void h() { cout << "Base::h" << endl }; 
 };        

按照上面的说法，我们可以通过Base的实例来得到虚函数表。 下面是实际例程：

typedef void(*Fun)(void); 
Base b;  
Fun pFun = NULL;  
cout << "虚函数表地址：" << (int*)(&b) << endl;

cout << "虚函数表 — 第一个函数地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;
pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));  
pFun();

实际运行经果如下：(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)  虚函数表地址：0012FED4  
虚函数表 — 第一个函数地址：0044F148

Base::f

通过这个示例，我们可以看到，我们可以通过强行把&b转成int *，取得虚函数表的地址，然后，再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了，也就是Base::f()，这在上面的程序中得到了验证（把int* 强制转成了函数指针）。通过这个示例，我们就可以知道如果要调用Base::g()和Base::h()，其代码如下：

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::f()  
(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base::g()  
(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h() 

*注：事实上上面的代码在我的机子上并不能打印出 Base::g() 和 Base::h()。发现这个函数的指针的大小是8bytes，所以给int指针加一只加了4个bytes，所以打印出来了segmentation fault，所以最好先得到Fun的大小然后根据他来加，在我的机子上给加2就可以正确打出g和h了。

这个时候你应该懂了吧。什么？还是有点晕。也是，这样的代码看着太乱了。没问题，让我画个图解释一下。如下所示

注意：在上面这个图中，我在虚函数表的最后多加了一个结点，这是虚函数表的结束结点，就像字符串的结束符“”一样，其标志了虚函数表的 结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在WinXP+VS2003下，这个值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，这个值是如果1，表示还有下一个虚函数表，如果值是0，表示是最后一个虚函数表。  下面，我将分别说明“无覆盖”和“有覆盖”时的虚函数表的样子。没有覆盖父类的虚函数是毫无意义的。我之所以要讲述没有覆盖的情况，主要目的是为了给一个对比。在比较之下，我们可以更加清楚地知道其内部的具体实现。

一般继承（无虚函数覆盖） 
下面，再让我们来看看继承时的虚函数表是什么样的。假设有如下所示的一个继承关系

请注意，在这个继承关系中，子类没有重载任何父类的函数。那么，在派生类的实例中，其虚函数表如下所示：

对于实例：Derive d; 的虚函数表如下

我们可以看到下面几点：  

1）虚函数按照其声明顺序放于表中。 

2）父类的虚函数在子类的虚函数前面。  

我相信聪明的你一定可以参考前面的那个程序，来编写一段程序来验证

一般继承（有虚函数覆盖） 
覆盖父类的虚函数是很显然的事情，不然，虚函数就变得毫无意义。下面，我们来看一下，如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数，会是一个什么样子？假设，我们有下面这样的一个继承关系。

为了让大家看到被继承过后的效果，在这个类的设计中，我只覆盖了父类的一个函数：f()。那么，对于派生类的实例，其虚函数表会是下面的一个样子：

我们从表中可以看到下面几点，  
1）覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。  

2）没有被覆盖的函数依旧。  
这样，我们就可以看到对于下面这样的程序，  Base *b = new Derive();  b->f();  
由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代，于是在实际调用发生时，是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。 

 多重继承（无虚函数覆盖）

下面，再让我们来看看多重继承中的情况，假设有下面这样一个类的继承关系。注意：子类并没有覆盖父类的函数。

对于子类实例中的虚函数表，是下面这个样子：

我们可以看到：  
1） 每个父类都有自己的虚表。  
2） 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。（所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的）  
这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数。  

多重继承（有虚函数覆盖） 
下面我们再来看看，如果发生虚函数覆盖的情况。  下图中，我们在子类中覆盖了父类的f()函数。

下面是对于子类实例中的虚函数表的图： 

我们可以看见，三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样，我们就可以任一静态类型的父类来指向子类，并调用子类的f()了。如：

Derive d; 
Base1 *b1 = &d;  
Base2 *b2 = &d;  
Base3 *b3 = &d;  
b1->f(); //Derive::f()  
b2->f(); //Derive::f()  
b3->f(); //Derive::f()  
b1->g(); //Base1::g() 
b2->g(); //Base2::g()  
b3->g(); //Base3::g()

安全性

1、通过父类型的指针访问子类自己的虚函数  
我们知道，子类没有重载父类的虚函数是一件毫无意义的事情。因为多态也是要基于函数重载的。虽然在上面的图中我们可以看到Base1的虚表中有Derive的虚函数，但我们根本不可能使用下面的语句来调用子类的自有虚函数：  Base1 *b1 = new Derive();  b1->f1(); //编译出错  
任何妄图使用父类指针想调用子类中的未覆盖父类的成员函数的行为都会被编译器视为非法，所以，这样的程序根本无法编译通过。但在运行时，我们可以通过指针的方式访问虚函数表来达到违反C++语义的行为。（关于这方面的尝试，通过阅读后面附录的代码，相信你可以做到这一点） 

2、访问non-public的虚函数  
另外，如果父类的虚函数是private或是protected的，但这些非public的虚函数同样会存在于虚函数表中，所以，我们同样可以使用访问虚函数表的方式来访问这些non-public的虚函数，这是很容易做到的。如：

class Base 
{  
    private:  
        virtual void f() { cout << "Base::f" << endl };
};  

class Derive : public Base{  };  
typedef void(*Fun)(void);  
void main() { 
    Derive d;  
    Fun pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&d)+0); 
    pFun();  
} 

三. 纯虚函数
纯虚函数是在一个基类的成员中定义的虚函数，它在该基类中没有实现，没有定义具体内容，要求个派生类根据实际情况自定义实现。

纯虚函数的声明形式：

virtual <函数类型><函数名>(形参表) = 0

纯虚函数与一般虚函数在书写形式上的不同在于 结尾 + (=0)，表明在声明中不用实现该函数，实现部分留给派生类去做

四. 抽象类

一个类如果至少含有一个“纯虚函数”成员，那么这个类就是“抽象类”

#include <iostream>

const double PI = 3.14159;

class Sharps
{
protected:
    int x, y;
public:
    void setValue(int xx, int yy = 0) { x = xx, y = yy };
    virtual void display() = 0;
}

class Rectange : public Sharps
{
public:
    void display() { cout << "The area of Rectange is:" << x * y << endl };
};

class Circle : public Sharps
{
    void display() { cout << "The area of Circle is:" << PI * x * x << endl };
};

void main()
{
    Sharps* ptr[2];
    Rectange rect1;
    Circle cir1;
    
    ptr[0] = &rect1;
    ptr[0] -> setValue(5,8);
    ptr[0] - > display();

    ptr[1] = &cir1;
    ptr[1] -> setValue(10);
    ptr[1] -> display();
 }
    

运行结果：

The area of Rectange is :40;
The area of Circle is : 314.159;