一封虚函数的介绍信
写在前边
这篇文章准备讲讲什么是虚函数，我们知道C++语言的三个特性：抽象、继承和多态。其中谈到多态不得不说的就是虚函数了，那么虚函数究竟应该怎样去认识呢？
一个简洁的例子
在一个镇上，大家为了节约资源，采取了资源公有制制度，由镇上的政府负责监管这样制度的实施。制度是这样的：每一个家族（按照姓氏来划分），在镇上的仓库里有一个家族仓库，在里边放了各种资源，大到什么奔驰宝马呀，飞机游艇什么的，小到锅碗瓢盆的都有，仓库门口有安检，比如张家仓库，那么只能是姓张的人才能进去使用，姓王的人就不能进去，当然，姓王的改名字姓张了，那他就能进去了，但是他就进不去王家的仓库了。但是呢，大家又觉得一起共享这些资源吧，又不太好，比如手机电脑这些关系到隐私的，不能共享，因此呢，每个人在仓库里又会有一个专有的保险柜，只有自己拿着钥匙才能去保险柜里取到东西。这样的制度大家觉得很合理。
再看虚函数
为什么要讲这个故事呢？因为我觉得，家族仓库其实就可以理解为一个类，每一个人是一个对象，保险柜其实就是一个虚表，而钥匙就是虚指针。暂且这么理解，有bug的也懒得填了。
类的内存布局
在这里给介绍一下VS的一个功能，在编译的时候可以看到类的内存情况，这里具体演示一下：
在VS的[项目]->[project属性]->[C/C++]->[命令行]下添加下边两条命令之一：
/d1reportSingleClassLayoutAAA 查看类AAA的内存布局（AAA改成自己想看的类名即可）
/d1reportAllClassLayout 查看所有类的内存布局
image.png
我在这里演示查看类AAA的内存情况。
接下来点击确定后重新编译，在[输出]中选择[生成]，可以看到如下情况：
image.png
这里把我写的类AAA代码先贴出来：
class AAA
{
private:
int a;
char b;
short c;
public:
AAA(int aa, char bb, short cc) :a(aa), b(bb), c(cc) {}
~AAA() {}
void print()
{
std::cout << a << ',' << b << ',' << c << std::endl;
}
};
对比[生成]中的类分布图，我们来具体分析一下。
首先，类成员a是一个int型变量，它被放在类内存起始地址偏移为0的地方（前边那个数字是偏移地址，相对于类的起始地址），类成员b是一个char型的变量，它被放在偏移为4的地方，，然后类成员c是一个short型变量，它被放在偏移地址为6的地方。另外，我在64位操作系统下，char型变量占1字节，short型变量占2字节，int型占4字节。整个类AAA的大小为8字节，在AAA后边的那个size(8)中可以看到。这样我们画一个图出来看看：
AAA的内存.png
这就是类AAA的内存布局，我们可以分析出两个点：
- 内存对齐
- 只有成员变量，没有成员函数
首先内存对齐就是蓝色的那一块，讲道理a是4字节，b是1字节，c是2字节，总共应该是7个字节，为什么会是8字节呢？为什么要空一块出来呢？这个是另一个知识点，我们先挖一个坑之后再填。
然后是为什么没有成员函数的位置呢？联系之前我讲的故事，成员函数就像是家族仓库里的奔驰宝马一样，每个人都可以用一样的，没必要放在类的内存中去占地方，那么实际上C++的成员函数是怎样放置的呢？
我们知道，虽然每一个类的对象使用的函数的代码都是一样的，但是实际上在使用函数时可能会调用到对象本身的成员变量，那么这是怎样实现的？
这里就要提到this指针。其实在对象调用自己的成员函数时，编译器会把对象的this指针作为一个参数传到函数中去，这样函数在执行的时候就会知道访问哪个对象中的成员变量。所以有了这个机制以后，所有的成员共用一套函数代码是可行的，这样可以节省内存空间。
虚函数
首先我们看看虚函数的声明。
虚函数是函数声明时带有virtual声明的函数，比如：
virtual double area();
另外还有一种叫纯虚函数，声明如下：
virtual double area()=0;
百度百科：虚函数
百度百科把虚函数解释为上图，纯虚函数解释为将声明与实现分开。我对虚函数的解释是：
纯虚函数是在基类中定义的接口，而虚函数是基类定义了接口并定义了接口的默认实现方式。
来看一段代码：
#include<iostream>
class AAA
{
public:
int a;
AAA(int aa=0) :a(aa){}
~AAA() {}
virtual void print()
{
std::cout <<"class AAA:"<< a << std::endl;
}
};
class BBB:public AAA
{
public:
int b;
BBB(int aa, int bb) :b(bb) { a=aa; }
~BBB() {}
void print()
{
std::cout <<"class BBB:"<< AAA::a <<','<<b<< std::endl;
}
};
class CCC :public AAA
{
public:
CCC(int aa) { a=aa; }
~CCC() {}
};
int main()
{
BBB b(3, 5);
CCC c(2);
b.print();
c.print();
system("pause");
return 0;
}
这是一段完整的代码，我们可以看到AAA作为基类，成员函数print为虚函数，并且有具体的实现，BBB类继承了AAA类，但是没有使用AAA类的print实现方式，而是重新实现了print，CCC类继承了AAA类，并且沿用了AAA类中print的实现，这样其实输出结果也能猜到了，b.print()会调用BBB类中print打印a和b的值，c.print()会调用AAA类的实现打印a的值：
image.png
这里插入一段新程序，这个是普通函数的继承：
#include<iostream>
class AAA
{
public:
int a;
AAA(int aa=0) :a(aa){}
~AAA() {}
void print()
{
std::cout <<"class AAA:"<< a << std::endl;
}
};
class BBB:public AAA
{
public:
int b;
BBB(int aa, int bb) :b(bb) { a=aa; }
~BBB() {}
void print()
{
std::cout <<"class BBB:"<< AAA::a <<','<<b<< std::endl;
}
};
class CCC :public AAA
{
public:
CCC(int aa) { a=aa; }
~CCC() {}
void print()
{
std::cout << "class CCC:" << a << std::endl;
}
};
int main()
{
BBB b(3, 5);
CCC c(2);
b.print();
c.print();
((AAA*)&b)->print();
((AAA*)&c)->print();
system("pause");
return 0;
}
这里把print函数作为一个普通的函数，在BBB和CCC继承以后分别也重新重载了print函数，那么在最后b.print()和c.print()时都会调用BBB和CCC各自的print函数，接下来两条强制把b转换成AAA类型并调用时，会调用BBB中的print还是会调用AAA中的print呢？答案时AAA中的，我先把输出结果放出来：
image.png
可以看到最后两个都是调用了AAA的print实现，也就是说，普通函数的调用时随着类类型变化而调用对应的类中的函数实现的。这个其实就和前文的故事的人员改姓一样，姓王的人改姓了张，那么只能去张家仓库中去寻找共有资源，不能去王家仓库了。
那么虚函数有什么特别的呢？我们对比一下相同的操作，接下来的代码是虚函数版本的print：
image.png
然后输出会是怎样呢？我们先看一下：
image.png
是不是很奇怪，强制转换以后，b和c依旧调用的自己的函数。怎么理解呢？就是我之前讲的保险柜，每个人有一把钥匙，虽然姓王改成了姓张，但是钥匙还在，还是能从保险柜里拿到自己的东西。
什么意思呢？我们来看看类的内存布局：
class AAA
class BBB
class CCC
从AAA看，很容易发现AAA中多了一个{vfptr}的东西，还占了4个字节，在BBB和CCC中也有，这是个什么东西呢？这就是保险柜钥匙--虚表指针。
虚表是什么？
虚表是存放虚函数入口的表。
那么我们来解释一下刚才为什么((AAA)&b)->print()和((AAA)&c)->print()两条语句会调用BBB和CCC中的print，我们来看一张图：
虚表指针
b中的虚表指针在声明时就指向了类BBB的虚表，在把它强制转化成AAA以后，这个指针依旧指向的是BBB，那么在调用print()时还是会调用BBB中的实现。
总结
虚函数的基础杂谈就大概这些，当然虚函数肯定不止这一点内容，比如还有多继承时，虚表指针的指向，以及虚表中的实际内容等等，这些还有很多知识点。
