对虚函数和多态的理解

八股文_C++面向对象面试题 0 243

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虚函数是允许在派生类中重写的函数，它是实现多态的基础。通过虚函数，C++支持运行时多态，即基类指针或引用可以指向派生类对象，并根据对象的实际类型调用相应的函数。这种机制使得我们能够编写更灵活和可扩展的代码。

详细讲解与拓展

虚函数的定义：
虚函数是通过在基类中使用virtual关键字声明的成员函数。虚函数在基类中定义，并且可以在派生类中重新实现。使用虚函数时，编译器会动态地确定在运行时调用哪一个函数，这种机制称为动态绑定。

示例：
```
class Base {
public:
   virtual void display() {  // 基类中的虚函数
       std::cout << "Base display" << std::endl;
   }
};

class Derived : public Base {
public:
   void display() override {  // 派生类中的重写
       std::cout << "Derived display" << std::endl;
   }
};

int main() {
   Base* basePtr = new Derived();  // 基类指针指向派生类对象
   basePtr->display();  // 调用Derived的display()，即多态
   delete basePtr;
   return 0;
}
```
C++
输出：
```
Derived display
```
在上面的例子中，Base类中的display()是一个虚函数。通过基类指针basePtr指向Derived类的对象，并调用display()函数时，运行时会根据实际对象类型（Derived类）来决定调用哪个版本的display()函数。这就是多态的体现。
多态的定义：
多态是面向对象编程中的一个核心特性，它允许通过统一的接口访问不同类型的对象。多态有两种主要形式：
- 编译时多态：通过函数重载和运算符重载实现。
- 运行时多态：通过虚函数和继承关系实现，即当基类指针或引用指向派生类对象时，调用的是派生类的重写函数。
运行时多态的实现依赖于虚函数和动态绑定。通过虚函数，C++支持运行时决定调用哪个函数版本，通常用于实现接口和抽象类。
虚函数的工作原理：虚函数表（vtable）：
在C++中，虚函数的调用是通过虚函数表（vtable）和虚函数表指针（vptr）实现的。当一个类包含虚函数时，编译器为该类创建一个虚函数表，该表存储类中虚函数的地址。每个对象会有一个指向虚函数表的指针（vptr），用于在运行时确定调用哪个函数。

例如，Base类和Derived类各自有一个虚函数表，Base类的虚函数表中存储的是Base类中的display()函数地址，Derived类的虚函数表中存储的是Derived类中的display()函数地址。当通过基类指针调用虚函数时，实际调用的是派生类中重写的函数。

纯虚函数与抽象类：
如果一个类中包含至少一个纯虚函数（= 0），该类被称为抽象类。抽象类不能直接实例化，必须由派生类实现所有纯虚函数才能实例化。抽象类的设计通常用于定义接口。

示例：

class Shape {
public:
   virtual void draw() = 0;  // 纯虚函数，必须由派生类实现
};

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

int main() {
   Shape* shape = new Circle();  // 使用基类指针指向派生类对象
   shape->draw();  // 调用Circle的draw()
   delete shape;
   return 0;
}

输出：

Drawing Circle

这里，Shape类是抽象类，因为它包含了纯虚函数draw()，而Circle类实现了该函数并可以实例化。

虚函数的性能开销：
使用虚函数会带来一定的性能开销，主要是因为虚函数调用需要通过虚函数表进行动态绑定。在每个对象中存储虚函数表指针（vptr）也是一种额外的内存开销。此外，每次调用虚函数时都需要查找虚函数表来确定正确的函数地址，这会导致一定的性能损失。为了优化性能，某些场景下可以避免过多使用虚函数，或通过其他技术如内联函数来减小开销。

总结：
– 虚函数是实现运行时多态的基础，允许通过基类指针或引用调用派生类中的重写函数。
– 多态使得我们可以通过统一的接口处理不同类型的对象，增强了代码的灵活性和可扩展性。
– 通过虚函数表和虚函数表指针，C++能够在运行时确定调用哪个函数版本。
– 纯虚函数可以使类成为抽象类，用于定义接口或抽象行为。

虚函数和多态是面向对象编程的重要特性，广泛应用于需要灵活扩展和接口定义的场景。

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