理解虚方法

落日映苍穹つ 2022-03-29 05:50 242阅读 0赞

1、什么是虚方法？

考虑Animal\* pa = new Dog(); pa表面类型是Animal，实际类型是Dog。可以理解为，pa说，我指向Animal，说法是对的。但是不具体，实际上，pa指向Dog。pa->Say()是虚方法，在编译期，编译器只知道pa 的表面类型，不知道该调用Animal 的Say方法还是Dog 的Say方法，所以才叫做“虚方法”。只有在运行期，才根据pa 的真实类型，确定调用哪个方法。这就是虚方法。

2、为什么需要虚方法？它解决了什么问题？

简单说，就是为了面向接口编程，库的提供者暴露接口，隐藏实现。库的使用者不需要知道内部的实现细节。

3、它是如何解决的？

虚方法也就是运行时多态。要实现运行时多态，怎么办？思考，运行时多态的本质特征是，相同的方法名，却导致调用不同的方法。因此，这里需要加一个间接层，内部封装，暴露接口。现在简单讲一下，目前的C++是如何实现多态的？

考虑，Animal类有一个虚方法表（可认为是一个数组，元素是方法指针），里面有100个虚方法，Dog类会整体拷贝Animal类的虚方法表，对于Dog类重写的方法，在虚方法表的对应位置偷梁换柱，换上重写后的方法，对于Dog类新增的虚方法，在虚方法表中后面加上。

类的对象内存中只有，实例字段和vptr两块内容，其中vptr指向类的虚方法表。假设Animal对象的内存布局为：age，name，vptr，Animal对象的vptr指向Animal类的虚方法表。Dog对象的内存布局为age，name，vptr，color，Dog对象的vptr指向Dog类的虚方法表。

考虑pa->Say()虚方法的调用，编译器知道Say是虚方法，通过vptr间接调用，在运行期才能确定下来。pa实际指向Dog对象，编译器把pa指向内容当作Animal对象来解释，这有没有问题呢？

在上面对象的内存布局看到，Animal对象和Dog对象在前面部分是一样的，Dog对象追加了一些内存。把pa指向的内容当作Animal对象解释，取第三个字段vptr，也就是Dog 对象的vptr，我们知道Do对象的vptr，指向Dog类的虚方法表。也就是说，会调用Dog类重写的虚方法。

4、用法

在父类中，为了表明是虚方法，在方法前加上virtual，子类重写续方法。子类中的方法不需要在说明，是virtual，会自动生成为virtual，但是，为了直观，建议子类中也使用virtual。

5、注意事项

a、没有虚方法的类，这个类也没有对应的虚方法表，也可能是对应的虚方法表为空，类的对象也就没有vptr。因此，不要随便添加无用的虚方法，否则，会导致对象变大，要多一个vptr字段。

b、只有表面类型和真实类型不同的情况下，才存在多态。也就是说，只有指针或者引用才存在多态。为啥？对于类对象而言，真实类型，就是声明的表面类型。子类对象赋值给父类对象，会出现对象切割，也就是把子类的部分切割掉，父类的部分整体拷贝。

c、构造方法和析构方法中，不要调用虚方法，因为达不到预期的效果。为啥？子类构造方法是在父类构造方法完成的基础上进行的。从这个角度讲，构造析构可以类比穿衣脱衣。穿衣时，先穿内衣，再穿外套。脱衣时，先脱外套，再脱内衣。

考虑，在父类构造方法内调用虚方法，期望调用子类重写的方法。这个是不行的，为啥？在父类构造方法中，当前对象不是一个完整的子类对象，还没有子类部分，也就是说，当前情况下的真实类型就是父类对象，当然不可能有多态效果。

那么析构方法呢？在父类的析构方法中调用虚方法，期望调用子类重写的虚方法。这个也是不行的，为啥？从穿衣脱衣的例子中，我们知道在父类的析构方法中，子类部分已经销毁了。

6、C++虚方法实现的局限性

通过上面的分析，知道C++虚方法的实现，是子类和父类都保存一个虚方法表，这就导致同样的值，存储多次，耗费多余的内存，特别是极端的情况下，顶层父类有许多虚方法，下面有衍生出一大堆的子类，每一个类都有一个很大的虚方法表。同样的值，存储多次是很愚蠢的。