第2章 C++相关知识(三)

2.21 虚函数与纯虚函数

在 C++ 中，虚函数和纯虚函数是实现多态的关键。虚函数允许通过基类指针或引用调用派生类中重写的函数，纯虚函数则用于定义接口，强制派生类提供特定的实现。

虚函数（Virtual Function）

虚函数是基类中声明的函数，允许派生类重写该函数。通过基类的指针或引用调用时，实际执行的是派生类的版本。虚函数实现了动态多态，即在运行时，根据对象的实际类型调用对应的函数。

语法：

Shape 类定义了虚函数 draw()。

Circle 和 Square 类重写了 draw() 函数。

基类指针 shape1 和 shape2 分别指向 Circle 和 Square 对象，并通过指针调用 draw() 函数，实际调用的是派生类的重写函数。

纯虚函数（Pure Virtual Function）

纯虚函数是没有函数体的虚函数，其声明中包含 = 0，表示该函数是纯虚函数。纯虚函数用于在基类中定义接口，要求派生类提供具体实现。

语法：

纯虚函数没有函数体，因此不能直接调用。在基类中声明纯虚函数后，基类变成抽象类，抽象类不能实例化对象，只能作为基类供派生类继承。

抽象类和派生类

• 包含纯虚函数的类是抽象类，抽象类不能被实例化。
• 派生类必须重写所有纯虚函数，才能实例化对象。如果派生类没有重写所有纯虚函数，派生类仍然是抽象类。

Shape 类是一个抽象类，因为它包含纯虚函数 draw()。

Circle 和 Square 类重写了 draw() 函数。

不能直接实例化 Shape 类对象，因为它包含纯虚函数。

在 main() 中，创建了 Circle 和 Square 类的对象，并通过基类指针调用重写的 draw() 函数。

总结：

1. 虚函数允许基类指针调用派生类的函数，实现在运行时动态选择调用的函数，提供了多态性。
2. 纯虚函数用于定义接口，要求派生类实现，基类成为抽象类，不能实例化。
3. 抽象类是包含至少一个纯虚函数的类，它不能实例化对象，只能作为基类供派生类继承。
4. 纯虚函数的作用是为派生类提供统一的接口规范，强制派生类实现特定的行为。

2.22 虚函数表（VTable）与虚函数指针（VPtr）

在 C++ 中，为了支持运行时的多态性，编译器通过虚函数表（VTable）和虚函数指针（VPtr）来实现虚函数的调用。以下是这些概念的详细解释：

虚函数表（VTable）

虚函数表是一个类的内部结构，它存储了类中所有虚函数的地址。对于每个包含虚函数的类，编译器会为它生成一个虚函数表。虚函数表本质上是一个指针数组，每个元素是指向类中虚函数实现的指针。

每个类：对于每个包含虚函数的类，编译器会为其生成一个虚函数表。

存储函数地址：虚函数表中的每个元素指向相应虚函数的实现代码。

与对象类型相关：每个类的虚函数表是特定于该类的，因此不同类的虚函数表是不同的。

虚函数指针（VPtr）

每个对象（对于包含虚函数的类）会有一个额外的指针，称为虚函数指针（VPtr），它指向该对象所属的虚函数表。通过虚函数指针，程序能够动态查找和调用正确的虚函数。

VPtr存在于对象内部：VPtr存在于对象的内存布局中，指向该对象的虚函数表。

动态调用：当通过基类指针调用虚函数时，编译器会利用VPtr查找虚函数表，然后根据表中的函数地址来调用对应的虚函数。

如何工作：

编译时：编译器为每个类生成虚函数表，存储类中所有虚函数的地址。

运行时：当创建一个对象时，该对象的虚函数指针（VPtr）会指向类的虚函数表。

当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序首先通过VPtr查找虚函数表，找到正确的函数地址，然后调用该虚函数。

虚函数表的创建：

基类 Animal 定义了一个虚函数 sound()。

派生类 Dog 和 Cat 重写了 sound() 函数。

编译器为 Animal、Dog 和 Cat 类各自生成了一个虚函数表，分别存储对应类的 sound() 函数地址。

虚函数指针：

当通过基类指针（animal1 和 animal2）调用 sound() 时，程序会使用虚函数指针（VPtr）来查找对象的虚函数表。

对于 animal1，虚函数指针会指向 Dog 类的虚函数表，因此调用的是 Dog 类中的 sound() 函数。

对于 animal2，虚函数指针会指向 Cat 类的虚函数表，因此调用的是 Cat 类中的 sound() 函数。

多态：

通过基类指针调用虚函数，实现了动态多态。具体调用哪个版本的虚函数（Dog 或 Cat）取决于对象的实际类型。

总结：

虚函数表（VTable）：每个包含虚函数的类都有一个虚函数表，存储类中所有虚函数的地址。

虚函数指针（VPtr）：每个对象会有一个虚函数指针，指向该对象所属类的虚函数表。

运行时多态：通过基类指针或引用调用虚函数时，程序使用虚函数指针（VPtr）查找虚函数表，从而动态调用正确的虚函数。

虚函数表和虚函数指针的作用：使得通过基类指针可以实现对派生类重写函数的调用，从而实现了多态性，提升了程序的灵活性和扩展性。

2.23 虚函数可以内联吗?

在 C++ 中，虚函数和内联函数是两种不同的优化技术，它们有不同的工作原理。

虚函数的工作原理

虚函数在运行时通过虚函数表（VTable）进行动态绑定。每个包含虚函数的类会有一个虚函数表，该表存储了虚函数的地址。通过基类指针或引用调用虚函数时，编译器会使用虚函数表来查找实际的函数地址，并在运行时调用正确的虚函数。

• 虚函数表（VTable）：每个类有一个虚函数表，表中存储虚函数的地址。
• 虚函数指针（VPtr）：每个对象有一个指向虚函数表的指针（VPtr），用来访问虚函数表。

由于虚函数的调用依赖于运行时的虚函数表，编译器无法在编译时确定调用哪个具体的函数。这就导致虚函数调用是在运行时动态决定的。

内联函数的工作原理

内联函数（Inline Function）是由编译器在编译阶段将函数调用的代码直接插入到调用处的函数。这种机制可以减少函数调用的开销，提高性能。内联函数要求编译器能够在编译时确定函数的实现，因此只能在编译期间进行替换。

• 内联函数：通常用inline关键字声明，编译器在编译时将函数体直接插入到调用点，从而消除了函数调用的开销。

虚函数和内联函数的冲突

1. 动态绑定：虚函数调用的决定是由运行时的虚函数表来执行的，而内联函数要求在编译时知道函数的实现。由于虚函数的调用在编译期无法确定具体的函数，因此无法进行内联优化。
2. 运行时调用 vs. 编译时替换：虚函数的调用发生在运行时，通过虚函数表查找函数地址。而内联函数是通过在编译时替换函数调用来消除调用开销，这两者的机制是不兼容的。

因此，虚函数不能直接被标记为内联函数，因为编译器无法在编译时确定具体调用哪个版本的虚函数，而内联要求在编译时已经确定函数体。

结论：虚函数不能是内联函数

由于虚函数的调用需要动态绑定，编译器无法在编译时确定函数体，因此无法在编译时进行内联优化。因此，虚函