代码随想录八股训练营第三十一天| C++
前言
一、虚函数怎么实现的：
1.1.虚函数声明：：
1.2.虚函数表（vtable）：
1.3.函数指针：：
1.4.动态绑定：
1.5.析构函数：
1.6.纯虚函数：
二、虚函数表是什么？？
2.1. 虚函数表的工作原理：：
2.2. 虚函数表的作用：：
2.3.虚函数表的实现细节：
总结
前言
在面向对象编程中，多态性是一个核心概念，它允许我们以统一的方式处理不同类型的对象。虚函数是实现多态性的关键技术之一，它使得派生类能够重写基类中定义的行为。在C++等语言中，虚函数的实现依赖于虚函数表（vtable）和虚函数指针（vptr）等机制。本文将详细解释虚函数的实现原理和虚函数表的作用，以及它们如何共同工作以支持多态性和动态绑定。
一、虚函数怎么实现的：
虚函数是面向对象编程中的一个重要概念，它允许在派生类中重写基类中定义的函数。虚函数的实现通常依赖于编程语言的机制，但大多数支持面向对象的编程语言（如C++、Java、C#等）都有类似的实现方式。在C++中，虚函数的实现主要依赖于以下几个关键点：
1.1.虚函数声明：：
- 在基类中，函数需要被声明为
virtual，这告诉编译器这个函数可以被子类重写。
class Base {
public:
virtual void func() {
// 基类实现
}
};1.2.虚函数表（vtable）：
- 每个包含虚函数的类都有一个虚函数表（vtable），这是一个函数指针数组。每个对象都有一个指向其类vtable的指针（通常称为vptr）。
1.3.函数指针：：
- vtable中的每个条目都是一个函数指针，指向基类或派生类中虚函数的实现。
1.4.动态绑定：
- 当通过基类指针或引用调用虚函数时，程序运行时会使用对象的vptr来查找正确的vtable，然后调用相应的函数实现。这个过程称为动态绑定或晚期绑定。
1.5.析构函数：
- 如果基类的析构函数不是虚的，那么在删除派生类对象时，派生类的析构函数可能不会被调用，导致资源泄露。因此，通常建议将基类的析构函数声明为虚函数。
class Base {
public:
virtual ~Base() {
// 基类析构函数
}
};1.6.纯虚函数：
- 在基类中，可以声明一个纯虚函数（使用
=0），这使得类成为抽象类，不能直接实例化，并且要求所有派生类都必须实现这个纯虚函数。
class Base {
public:
virtual void func() = 0; // 纯虚函数
};二、虚函数表是什么？？
虚函数表（Virtual Table，简称vtable），是C++等支持多态的编程语言中用于实现虚函数机制的一种数据结构。它是一种实现动态绑定（Dynamic Binding）或晚期绑定（Late Binding）的技术，允许在运行时确定调用哪个函数。
2.1. 虚函数表的工作原理：：
-
存储函数指针：虚函数表是一个函数指针数组，每个指针指向一个虚函数的具体实现。这些指针指向基类和派生类中重写的虚函数。
-
对象中的指针：每个包含虚函数的对象都有一个指向其类虚函数表的指针，这个指针通常称为vptr（Virtual Pointer）。vptr存储在对象的内存布局的最前面，以便快速访问。
-
调用虚函数：当通过基类指针或引用调用虚函数时，编译器生成的代码会使用vptr来访问对应的虚函数表，然后通过虚函数表找到正确的函数指针，并调用相应的函数。
2.2. 虚函数表的作用：：
- 实现多态：虚函数表使得对象在运行时能够根据实际的派生类类型调用正确的函数实现，这是多态性的关键。
- 动态绑定：它允许在运行时而不是编译时确定调用哪个函数，这提供了更大的灵活性。
//Base 类有一个虚函数 show()。
//Derived 类重写了 show() 函数。
//main 函数中创建了一个 Derived 类型的对象，但通过 Base 类型的指针 b 来访问。
//当调用 b->show() 时，程序会通过 b 指向的虚函数表找到 Derived 类的 show() 函数，并调用它。
class Base {
public:
virtual void show() {
cout << "Base show" << endl;
}
virtual ~Base() {}
};
class Derived : public Base {
public:
void show() override {
cout << "Derived show" << endl;
}
};
int main() {
Base* b = new Derived();
b->show(); // 输出 "Derived show"
delete b;
return 0;
}2.3.虚函数表的实现细节：
- vptr：每个对象都有一个vptr，指向其类的虚函数表。
- 构造函数和析构函数：在构造和析构对象时，vptr可能会被修改以指向当前类的虚函数表，以确保正确调用虚函数。
- 纯虚函数：如果类中有纯虚函数，那么这个类就是一个抽象类，不能实例化，但可以用于虚函数表的创建。
总结
虚函数和虚函数表是C++中实现多态性的重要机制。虚函数允许派生类重写基类的行为，而虚函数表则存储了指向这些重写函数的指针，使得在运行时可以动态地调用正确的函数实现。这种机制不仅提供了灵活性，还允许程序在不知道对象确切类型的情况下，通过基类指针或引用调用正确的函数。此外，虚函数表还确保了即使在对象被删除时，也能正确地调用派生类的析构函数，避免资源泄露。通过理解虚函数和虚函数表的工作原理，我们可以更好地利用C++等面向对象编程语言的强大功能。