C++學習第13篇-虛擬函數

1. 衍生類中基類的指標和引用

上一篇中，已經介紹了類的繼承；這篇中，將介紹繼承中另一個重要和實用的方面-虛擬函數。

在討論虛擬函數之前，我們應明確為什麼需要虛擬函數。之前我們知道，衍生類包含了基類的一部分和本身的一部分。

輸出：

因為一個Derive的對象也是Base類型，如老師是一個人。

輸出：

因為rBase和pBase是Base類型，只能看到Base類的成員或者是Base類繼承其他類的成員，對於Derived類的非繼承成員是不可見的。

另一個例子：

輸出：

2）在基類中使用指標和引用

如果沒有使用指標，對於多個動物的呼叫：

當然也可以這樣寫：

但是，Animal只會執行其對應的呼叫函數。

測試：

而且，當動物種類超出30種時，需要30個數組來儲存不同的動物種類。

這兩種方法都有個明顯的缺點：基類指標指向衍生類，執行的函數是基類的函數，而不是衍生類的重定義函數。

2. 虛擬函數

在第1節中，使用基類指標，可以簡化代碼；但是基類指標只能執行基類的對應函數，而不是衍生類的重定義函數。

例如：

輸出是：rBase is a Base。

這個問題可以通過虛擬函數來解決：

虛擬函數-特殊類型的函數，執行相同簽名函數的最進階衍生版本。

只需將virtual關鍵字放在函式宣告的前面。

修改上面的例子：

輸出是：rBase is a Derived。

因為使用virtual關鍵字，GetName執行力衍生類版本的函數；

複雜一點的例子：

輸出是：rBase is a C。

流程：首先rBase是一個A引用，因為A中的GetName是一個虛擬函數；然後執行遍曆A到C的相同簽名的函數，最後執行最進階衍生的C類，然後執行C的重定義函數。

因為rBase指向的是一個C對象，所以不會遍曆D的函數。

更複雜的例子：

輸出：

再次測試：

輸出：

注意：衍生類函數的簽名必須和基類的虛擬函數的簽名一致，才能達到執行衍生類函數的效果。

2）virtual關鍵字的使用

A)事實上，virtual關鍵字在衍生類中不必要使用的。

B)通常，最原始的基類使用virtual關鍵字，這樣所有繼承的衍生類都可以虛擬執行；

C)通常，推薦在衍生類中也使用virtual關鍵字，儘管文法上不需要；

3）虛擬函數的傳回值

在正規情況下，虛擬函數和衍生類的重定義函數必須有一致的傳回型別；

但是，例外：如果虛擬函數返回的是類的指標或引用，那麼重定義函數可以返回衍生類的指標或引用。

3. 虛擬解構函式、虛擬賦值、重寫虛擬列表

1）虛擬解構函式

C++提供了一個預設的解構函式，有時需自訂解構函式，特別是在動態分配記憶體。

例如：

這時，列印：Calling ~Base()。

如果採用虛擬解構函式：

此時，輸出是：

Calling ~Drived

Calling ~Base()

2)虛擬賦值

將賦值虛擬是可能的。不像虛擬析構，虛擬賦值是麻煩之源。

3）重寫虛擬化

使用全域運算子::來顯示執行基類函數：

這種做法是比較少使用，但只是說明是可能的。

虛擬函數的缺點：低效的，執行一個虛擬函數需要的時間更長；還要另外開闢記憶體空間。

4. 提前綁定和延遲綁定

當CPU執行編譯器時，每行語句被編譯成一行或多行的電腦代碼，每一行指定了唯一的順序地址；函數也一樣，每個函數結尾都有一個唯一的順序地址。

所謂綁定，就是將標誌符轉換為機器語言地址的過程；本章節主要講述函數的綁定。

1）提前綁定

當執行直接調用一個函數時，這個進程成為提前綁定（靜態繫結）；記住，每個函數都有唯一機器地址，當編譯器遇到函數調用，編譯器將函數調用轉換為機器語言，CPU跳轉到函數的地址。

因為Add、Subtract和Multiply是直接函數調用，即提前綁定。

2）延遲綁定

在一些程式中，不可能知道那些函數直到運行時才載入，即延遲綁定（動態綁定）；

在C++中實現消極式載入主要是採用函數指標；

修改上面的main函數：

因為pFcn知道運行時才確定執行的調用函數，所以稱作延遲綁定。

延遲綁定效率相對低一點，因為要涉及更多的間接調用級數；但延遲更靈活，因為函數調用知道運行時才確定。

5. 虛擬表

在應用虛擬函數，C++使用了延遲綁定的特殊形式-虛擬表。

虛擬表是延遲管理器管理的一張函數調用列表。名字如：“vtable”, “virtual functiontable”, “virtual method table”, or “dispatch table”。

虛擬表是編譯器在編譯時間建立的一個靜態數組；每個函數調用都有一個入口供對象調用。

編譯器為基類添加類一個隱藏的指標： *__vptr；這是個真實的指標，衍生類可以繼承。

例如：

編譯器建立3張虛擬表，記錄每個類的虛擬函數；

每個虛擬表的*_vptr負責管理函數調用的遍曆；

通過虛擬表，編譯器和程式更準確地找到所需的虛擬函數。

6. 純粹虛擬函數、抽象基類和介面類

這是虛擬函數的最後一節，恭喜各位通過了C++語言最難懂的部分了。

1）純粹虛擬（抽象）函數和抽象基類

目前為止，所看到的虛擬函數都有函數體（定義體），C++允許建立一類特殊的虛擬函數-純粹虛擬函數（抽象函數），沒有函數體。

使用一個純粹的虛擬函數有2個主要的結果：

A）任何類使用了一個或多個的純粹虛擬函數，成為抽象基類；抽象類別-即不可以執行個體化；

B）任何繼承於抽象基類的衍生類必須實現該函數；

一個純粹的虛擬函數是非常有用的，我們想將一個函數放到基類，衍生類只需知道其傳回型別即可；這樣就預防了衍生類忘記實現該函數；

2）介面類

一個介面類-不包含任何成員變數，所有函數都是純粹虛擬函數。

介面是非常有用的，當你想定義衍生類必須實現的功能；但功能的實現細節依賴於具體的衍生類。

介面類越來越流行，因為其易用、易擴充和易維護。

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