深入了解C++虚函数
一、认识虚函数
虚函数（Virtual Function）：在基类中声明为 virtual 并在一个或多个派生类中被重新定义的成员函数。
作用：
C++ “虚函数”的存在是为了实现面向对象中的“多态”，即父类类别的指针（或者引用）指向其子类的实例，然后通过父类的指针（或者引用）调用实际子类的成员函数。通过动态赋值，实现调用不同的子类的成员函数（动态绑定）。正是因为这种机制，把析构函数声明为“虚函数”可以防止内存泄露。
简单的示例：
class bass
{
public:
bass() {};
virtual void Func() { std::cout << "bass func" << std::endl; };
};
class derived : public bass
{
public:
derived() {};
virtual void Func() { std::cout << "derived func" << std::endl; };
};
int main()
{
bass * pB = new derived();
pB->Func();
return 0;
}
输出结果：
二、虚函数表
虚函数的调用是通过虚函数表(vitrual tables)和指向这张虚函数表的指针(virtual table pointers)来确定调用的是哪一个对象的函数，此二者通常被简写为vtbls和vptrs。
程序中每一个class凡声明（或继承）虚函数者，都有自己的一个vtbls，而其中的条目就是该class的各个虚函数实现体的指针。
凡是声明有虚函数的class，其对象都含有一个隐藏的数据成员，用来指向该class的vtbl。这个隐藏的数据成员就是vptr，effective C++中的描述是：这个vptr被编译器加入对象的内某个唯有编译器才知道的位置，网上搜的资料说这个数据成员会被放在对象内存布局的第一个位置。具体的可以试验一下！
先假设放在第一个位置。
例如这样一个类：
class c1
{
public:
c1() {};
virtual void f1() {};
virtual void f2() {};
virtual void f3() {};
};
c1的vtbl看起来应该是这样的：
&c1
下面试验一下，vptr是否在对象内存布局的第一个位置。
在f1函数打印一条信息：
virtual void f1() { std::cout << "test func pos"; };
在main函数内添加这些代码:
int main()
{
c1 * pc = new c1();
typedef void (*Func)(void);
Func pFun = (Func)*((int*)*(int*)(pc) + 0);
pFun();
return 0;
}
(Func)*((int*)*(int*)(pc) + 0);
这行代码可能理解起来比较吃力，我有的时候看起来也比较费劲，这一堆都是啥 玩意儿啊？
我们可以拆开来理解
首先把c1指针类对象强转为int*
int * nPc = (int*)(pc);
然后把类对象的首地址的所指物给强转成int*,首地址存放的应该是虚表指针 vtbls
int * vtabls = (int*)*(nPc);
最后把虚表指针第1个虚函数（从0开始的），转成Func
Func pFun = (Func)*(vtabls + 0);
这样的话是不是好理解多了。
我使用的环境是VS2017
输出结果：
从输出结果上来看，在vs里指向虚函数表的指针，是存放在对象内存布局的第一个位置，其他编译器由于没有测试不确定是否存放在第一个位置
下边看一下发生继承关系以后，虚函数表的状态
假如有一个类（单继承无覆盖的情况）：
class c2 : public c1
{
public:
c2() {};
virtual void f4() { std::cout << "c2::f4()" << std::endl; };
virtual void f5() {};
};
那么c2的虚函数表看起来应该是这样的：
&c2
在写一段代码来测试一下:
c1 * pc = new c2();
typedef void (*Func)(void);
Func pFun = (Func)*((int*)*(int*)(pc) + 0);
Func pFun2 = (Func)*((int*)*(int*)(pc)+3);
pFun();
pFun2();
输出结果：
从输出结果上可以看出：
1、虚函数按照其声明顺序放于表中。
2、父类的虚函数在子类的虚函数前面。
如果c2继承c1后重写基类的方法c1:f1()，那么根据之前的测试，他的虚函数表应该是这样的：
&c2
多重继承情况下，子类的虚函数表：
继承关系如下：
虚函数表应该是这样的：
&c4
有兴趣的同学可以写一段测试代码进行验证一下，我这里就不写了。
三、虚函数的成本
从上面的分析可以看出：
1、你必须为每一个拥有虚函数的class耗费一个vtbl空间，其大小视虚函数的个数（包括继承而来的）而定。
2、你必须在每一个拥有虚函数的对象内付出“一个额外指针”的代价，包括继承而来的。
3、虚函数不应该inlined，因为inline意味“在编译期，将调用端的调用动作被调用函数的函数本体取代”，而virtual则意味着“等待，直到运行时期才知道哪个函数被调用”，当编译器对某个调用动作，却无法知道哪个函数该被调用时，你就可以了解它们没有能力将该函数调用加以“inlining”了，事实上等于放弃了inlining。（如果虚函数通过对象调用，倒是可以inlined，但是大部分虚函数调用动作是通过对象的指针或references完成的，此类行为无法被inlined。由于此等调用行为是常态，所以虚函数事实上等于无法被inlined）-----摘自more effective C++。
四、安全性
如果父类的虚函数是private或是protected的，但这些非public的虚函数同样会存在于虚函数表中，所以，我们同样可以使用访问虚函数表的方式来访问这些non-public的虚函数，这是很容易做到的。
比如：
class bass
{
public:
bass() {};
private:
virtual void fc() { std::cout << "bass::fc()" << std::endl; };
};
int main()
{
typedef void(*Func)(void);
bass *pBass = new bass();
Func pF = (Func)*((int*)*(int*)(pBass));
pF();
return 0;
}
输出结果：
五、将构造函数与非成员函数虚化（来自more effective C++ 条款25）
第一次面对虚构造函数的时候，似乎不觉得有什么道理可言，并且还有些荒谬，但它们很有用。
比如我有一个函数需要根据获得的输入，来构造不同类型的对象的时候。
假设有一个链表，存储图形或者文字信息：
class common
{
public:
};
class text : public common
{
public:
};
class graphic : public common
{
public:
};
std::list<common*> oCommonInfo;
template<class T>
common* readCommonInfo(T inPut)
{
//根据输入的信息来构造text还是graphic
}
oCommonInfo.push_back(readCommonInfo(inPut));
思考一下，readCommonInfo做了一些什么事，它产生一个新对象，或许是text，也或许是graphic，
视输入的数据而定，由于它产生了新对象，所以行为仿若构造函数，但它能够产生不同类型的对象，
所以我们称它为一个virtual construction。所谓的virtual construction是某种函数，视其获得的输入，可产生不同类型的对象。
还有一种比较特殊的virtual construction，比如virtual copy construction，常见的是类的clone
比如：
class a
{
public:
a() {};
virtual a* clone() const = 0;
};
class b : public a
{
public:
b() {};
virtual b* clone() const {};
};
class c : public a
{
public:
c() {};
virtual c* clone() const {};
};
虚函数在重写的时候，返回类型、函数名称、参数个数、参数类型必须相同，但是当基类虚函数返回基类指针，派生类虚函数返回派生类指针，是允许的。
a *pa = new b或者c;
list.push_back(a.clone());
就像construction无法被真正虚化一样，非成员函数也是一样。
不过可以将非成员函数的行为虚化，
可以写一个虚函数做实际工作，在写一个什么也不做的非虚函数，只负责调用虚函数。
当然为了避免此巧妙安排蒙受函数调用带来的成本，可以将非虚函数inline化。
