C++ 虛擬函數的演化史：追溯多型程式的起源與變遷

C 虛擬函數透過動態分派實現多態編程，其演進包括：虛擬指標、虛擬函數表、動態分派、執行時間類型資訊 (RTTI)。在實戰案例中，透過動物類繼承關係和虛函數 speak()，展示了不同動物類型的動態分派行為。虛擬函數在 C 中持續演進，提高了多型程式設計的效率和靈活性，成為實現強健可擴充程式碼的關鍵特性。

C 虛擬函數的演化史：多型程式設計的起源與變化

##引言

虛擬函數是C 中實作多型程式設計的關鍵特性，它允許物件的子類別在不修改基底類別程式碼的情況下重新定義其行為。本文將追溯虛擬函數的起源，探討其在 C 中的演變，並透過實戰案例展示其應用。

起源：Liskov 替換原則

多型程式設計的概念最早由 Barbara Liskov 於 1987 年在其著名的 Liskov 取代原則中提出。該原則規定，任何子類都能替換其超類，而不需要改變程序的正確性。

早期的 C 實作：虛指標

在 C 的早期版本中，虛擬函數透過虛擬指標表來實現。每個物件都包含一個指向虛擬指針表的指針，其中儲存指向其每個虛擬函數的指針。當呼叫虛擬函數時，編譯器會使用該指標表來尋找正確的函數位址並執行它。

虛擬函數表的引入

C 2.0 引入了虛擬函數表，這是一種更有效率的虛擬函數實作方式。虛擬函數表是一個儲存所有物件虛擬函數指標的陣列。物件透過索引該陣列來呼叫其虛擬函數，從而避免了尋找虛擬指標表的開銷。

動態分派

動態分派是虛擬函數的關鍵特性之一。它允許物件在運行時根據其實際類型呼叫正確的虛擬函數版本。這是透過在物件建立時將指向正確的虛擬函數表的指標儲存在其物件表中來實現的。

RTTI（運行時類型資訊）

運行時類型資訊 (RTTI) 允許程式在執行時間確定物件的類型。這讓程式可以編寫出能夠根據物件類型採取不同行為的健全程式碼。在 C 中，RTTI 透過

typeid 和 dynamic_cast 運算子來實作。

實戰案例：動物花園模擬

考慮一個模擬動物園的程式。每個動物類別都從一個基底類別

Animal 派生，它定義了所有動物共享的共同行為 (eat() 和 sleep())。不同種類的動物可以定義自己的 speak() 方法，其行為根據動物類型而有所不同。

class Animal {
public:
    virtual void eat() = 0;
    virtual void sleep() = 0;
};

class Dog : public Animal {
public:
    void eat() override { cout << "Dog eating" << endl; }
    void sleep() override { cout << "Dog sleeping" << endl; }
    void speak() { cout << "Woof!" << endl; }
};

class Cat : public Animal {
public:
    void eat() override { cout << "Cat eating" << endl; }
    void sleep() override { cout << "Cat sleeping" << endl; }
    void speak() { cout << "Meow!" << endl; }
};

在主程式中，我們可以建立各種動物物件並呼叫其虛擬函數，從而示範動態分派：

int main() {
    Animal* dog = new Dog();
    Animal* cat = new Cat();

    dog->speak(); // 输出 "Woof!"
    cat->speak(); // 输出 "Meow!"

    return 0;
}

結論

隨著C 從早期版本演進到現代版本，虛擬函數的發展經歷了重大變化。從虛擬指標到虛擬函數表再到動態分派，這些演變提高了多型程式設計的效率和靈活性。虛擬函數仍然是 C 中實現強健而可擴展程式碼的核心特性。

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