深度解析C++中的虛函數(shù)

虛函數(shù)作為C++的重要特性，讓人又愛又怕，愛它功能強(qiáng)大，但又怕駕馭不好，讓它反咬一口，今天我們用CPU的角度，撕掉語法的偽裝，重新認(rèn)識一下虛函數(shù)。

虛函數(shù)是C++實現(xiàn)面向?qū)ο笤O(shè)計及多態(tài)特性的重要手段。沒有虛函數(shù)，C++和C的區(qū)別就不大，都需要借助大量的“函數(shù)指針”，進(jìn)行面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計（特別是功能擴(kuò)展方面）。

有了虛函數(shù)的存在，函數(shù)指針的使用率大大降低，代碼可讀性，代碼數(shù)量都能得到大幅度的改善。

最厲害的是，C++的虛函數(shù)實現(xiàn)機(jī)制，幾乎同時在空間、效率上獲得了最優(yōu)解。

學(xué)習(xí)C++，虛函數(shù)是一條必經(jīng)之路！

先來看兩段簡單代碼

讓我們先比較一下普通函數(shù)體與虛函數(shù)體有什么區(qū)別，顯然，兩個函數(shù)是完全一致的，虛函數(shù)跟普通函數(shù)一樣，都會夾帶一個隱藏參數(shù)this指針。所以，如你所見，虛函數(shù)在實現(xiàn)方面，跟普通函數(shù)沒有任何區(qū)別。

讓我們再看看調(diào)用它們的時候，會有什么不同

通過對比，大部分地方也是相同的，箭頭指的那兩條指令都是在輸入：隱藏參數(shù) this指針。唯一的區(qū)別是，調(diào)用普通函數(shù)時，call指令的目標(biāo)地址在編譯階段就確定了，也就是所謂的“靜態(tài)綁定”；但調(diào)用虛函數(shù)時，call指令只能根據(jù)rdx寄存器的值來確定函數(shù)的位置，也就是所謂的“動態(tài)綁定”。

再深入理解下這幾條指令

原來當(dāng)類A有虛函數(shù)的時候，類A就會偷偷生成一個隱藏成員變量，方便起見，我們給這個隱藏變量起一個名字：V（指針類型），V存放著虛函數(shù)表的地址，根據(jù)偏移，就可以得到要執(zhí)行的vtest_1 的地址，將其存在寄存器rdx里面，隨后一條：call rdx 指令，一個虛函數(shù)的調(diào)用就完成了。如果說，類的成員函數(shù)會夾帶隱藏參數(shù) this指針，還能接受的話，那么，我說類還會夾帶隱藏變量V，你能接受嗎？如果真的存在隱藏變量V，在哪里給V初始化呢？答案是在A的構(gòu)造函數(shù)中，把V初始化成類A的虛函數(shù)表地址，如下：

盡管我沒有寫構(gòu)造函數(shù)，編譯器還是會給我 生成一個默認(rèn)的構(gòu)造函數(shù) ，它一定、必須要幫我完成隱藏變量V的初始化。

當(dāng)然，A有派生類B的話

那么隱藏變量V會在B的構(gòu)造函數(shù)中被初始化為B的虛函數(shù)表地址，從而保證A、B的虛函數(shù)相互獨立，井水不犯河水，但考慮到派生類B的構(gòu)造函數(shù)，還會調(diào)用基類A的構(gòu)造函數(shù)。因此，變量V一會兒會被初始化成類A的虛函數(shù)表，一會又會被初始化成類B的虛函數(shù)表，為了避免暈頭，往往會禁止在構(gòu)造函數(shù)里面調(diào)用虛函數(shù)。

小結(jié)一下：

1、虛函數(shù)在函數(shù)體的實現(xiàn)方面跟普通函數(shù)沒有任何區(qū)別。

2、虛函數(shù)的調(diào)用需要借助類對象的隱藏變量 V(vptr)來完成，隱藏變量V(vptr)會在構(gòu)造函數(shù)中被初始化成虛函數(shù)表的內(nèi)存地址。

3、調(diào)用任何虛函數(shù)的套路都是一樣的，唯一的區(qū)別是要根據(jù)它們在虛函數(shù)表的位置設(shè)置正確的偏移量。

大家可以看看調(diào)用vtest_1()和調(diào)用vtest_2()的唯一區(qū)別是什么？

不得不佩服虛函數(shù)的實現(xiàn)方法，幾乎同時在效率的空間上得到了最優(yōu)解，因為虛函數(shù)的出現(xiàn)，函數(shù)指針的使用率大大降低，如果你還是被函數(shù)指針困擾的時候，或許可以考慮一下虛函數(shù)。