虚函数的作用和实现原理，什么是虚函数,有什么作用.md

C++的多态分为静态多态（编译时多态）和动态多态（运行时多态）两大类。静态多态通过重载、模板来实现；动态多态就是通过本文的主角虚函数来体现的。

虚函数实现原理:包括虚函数表、虚函数指针等

虚函数的作用说白了就是：当调用一个虚函数时，被执行的代码必须和调用函数的对象的动态类型相一致。编译器需要做的就是如何高效的实现提供这种特性。不同编译器实现细节也不相同。大多数编译器通过vtbl（virtual table）和vptr（virtual table pointer）来实现的。 当一个类声明了虚函数或者继承了虚函数，这个类就会有自己的vtbl。vtbl实际上就是一个函数指针数组，有的编译器用的是链表，不过方法都是差不多。vtbl数组中的每一个元素对应一个函数指针指向该类的一个虚函数，同时该类的每一个对象都会包含一个vptr，vptr指向该vtbl的地址。

结论：

每个声明了虚函数或者继承了虚函数的类，都会有一个自己的vtbl 同时该类的每个对象都会包含一个vptr去指向该vtbl 虚函数按照其声明顺序放于vtbl表中, vtbl数组中的每一个元素对应一个函数指针指向该类的虚函数 如果子类覆盖了父类的虚函数，将被放到了虚表中原来父类虚函数的位置 在多继承的情况下，每个父类都有自己的虚表。子类的成员函数被放到了第一个父类的表中

衍生问题:为什么 C++里访问虚函数比访问普通函数慢?

单继承时性能差不多，多继承的时候会慢

调用性能方面

从前面虚函数的调用过程可知。当调用虚函数时过程如下（引自More Effective C++）:

通过对象的 vptr 找到类的 vtbl。这是一个简单的操作,因为编译器知道在对象内 哪里能找到 vptr(毕竟是由编译器放置的它们)。因此这个代价只是一个偏移调整(以得到 vptr)和一个指针的间接寻址(以得到 vtbl)。 找到对应 vtbl 内的指向被调用函数的指针。这也是很简单的, 因为编译器为每个虚函数在 vtbl 内分配了一个唯一的索引。这步的代价只是在 vtbl 数组内 的一个偏移。 调用第二步找到的的指针所指向的函数。 在单继承的情况下，调用虚函数所需的代价基本上和非虚函数效率一样，在大多数计算机上它多执行了很少的一些指令，所以有很多人一概而论说虚函数性能不行是不太科学的。在多继承的情况下，由于会根据多个父类生成多个vptr，在对象里为寻找 vptr 而进行的偏移量计算会变得复杂一些，但这些并不是虚函数的性能瓶颈。 虚函数运行时所需的代价主要是虚函数不能是内联函。这也是非常好理解的，是因为内联函数是指在编译期间用被调用的函数体本身来代替函数调用的指令，但是虚函数的“虚”是指“直到运行时才能知道要调用的是哪一个函数。”但虚函数的运行时多态特性就是要在运行时才知道具体调用哪个虚函数，所以没法在编译时进行内联函数展开。当然如果通过对象直接调用虚函数它是可以被内联，但是大多数虚函数是通过对象的指针或引用被调用的，这种调用不能被内联。 因为这种调用是标准的调用方式，所以虚函数实际上不能被内联。

占用空间方面

在上面的虚函数实现原理部分，可以看到为了实现运行时多态机制，编译器会给每一个包含虚函数或继承了虚函数的类自动建立一个虚函数表，所以虚函数的一个代价就是会增加类的体积。在虚函数接口较少的类中这个代价并不明显，虚函数表vtbl的体积相当于几个函数指针的体积，如果你有大量的类或者在每个类中有大量的虚函数,你会发现 vtbl 会占用大量的地址空间。但这并不是最主要的代价，主要的代价是发生在类的继承过程中，在上面的分析中，可以看到，当子类继承父类的虚函数时，子类会有自己的vtbl，如果子类只覆盖父类的一两个虚函数接口，子类vtbl的其余部分内容会与父类重复。这在如果存在大量的子类继承，且重写父类的虚函数接口只占总数的一小部分的情况下，会造成大量地址空间浪费。在一些GUI库上这种大量子类继承自同一父类且只覆盖其中一两个虚函数的情况是经常有的，这样就导致UI库的占用内存明显变大。 由于虚函数指针vptr的存在，虚函数也会增加该类的每个对象的体积。在单继承或没有继承的情况下，类的每个对象会多一个vptr指针的体积，也就是4个字节；在多继承的情况下，类的每个对象会多N个（N＝包含虚函数的父类个数）vptr的体积，也就是4N个字节。当一个类的对象体积较大时，这个代价不是很明显，但当一个类的对象很轻量的时候，如成员变量只有4个字节，那么再加上4（或4N）个字节的vptr，对象的体积相当于翻了1（或N）倍，这个代价是非常大的。

总结

最后，总结一下关于虚函数的一些常见问题：

1. 虚函数是动态绑定的，也就是说，使用虚函数的指针和引用能够正确找到实际类的对应函数，而不是执行定义类的函数。这是虚函数的基本功能，就不再解释了。

2. 构造函数不能是虚函数。而且，在构造函数中调用虚函数，实际执行的是父类的对应函数，因为自己还没有构造好, 多态是被disable的。

3. 析构函数可以是虚函数，而且，在一个复杂类结构中，这往往是必须的。

4. 将一个函数定义为纯虚函数，实际上是将这个类定义为抽象类，不能实例化对象。

5. 纯虚函数通常没有定义体，但也完全可以拥有。

6. 析构函数可以是纯虚的，但纯虚析构函数必须有定义体，因为析构函数的调用是在子类中隐含的。

7. 非纯的虚函数必须有定义体，不然是一个错误。

8. 派生类的override虚函数定义必须和父类完全一致。除了一个特例，如果父类中返回值是一个指针或引用，子类override时可以返回这个指针（或引用）的派生。例如，在上面的例子中，在Base中定义了 virtual Base* clone(); 在Derived中可以定义为 virtual Derived* clone()。可以看到，这种放松对于Clone模式是非常有用的。