大厂C++面试基础题第1辑——虚函数七题精讲之一

“虚函数的作用” 是面向对象的C++编程最基础也最核心的知识点，如果不能无法正确回答本题，则只此一题，不管大厂还是小厂，都铁定无缘了。

概述

“虚函数” 是 C++面向对象三最：最基础、最重要、最关键的知识点。我们从网上搜索到来自腾讯与字节公司招聘C++新人（主要是校招）的题集中，选择出现多次的七道题：

1. 虚函数的作用？
2. 虚函数在什么情况下发挥作用？
3. 纯虚函数是什么？
4. 简单说说虚函数发挥作用的底层机制？
5. 关键字 override 的作用？
6. 析构函数可以是虚函数吗，“虚析构”函数有什么关键作用？
7. 构造函数可以是虚函数吗？为什么？

本辑大厂C++面试题，提供和问题紧密相关的知识点的全面精讲，在实际面试中可按需回答。

题1-虚函数的作用

题目评价： 虚函数的作用，是面向对象的C++编程最基础也最核心的知识点，如果不能无法正确回答本题，则只此一题，不管大厂还是小厂，都铁定无缘了。

参考阅读： 这么重要的问题，自然问的人很多，站长（南郁）也曾在外部平台回答过多次。其中2018年在知乎的回答，自回答后就一直获该问题的榜首推荐。我们也将该回答收录到本站（d2school）课程《站长技术问答精选》 下的第10课：《C++中虚函数相比非虚函数的优势》。建议可以先阅读该文章，并完成其内作业。

一个类的（非静态）成员函数，加上 “virtual” 修饰，就得到一个“虚函数”。假设它被作为基类，有另一个新类派生自它，那么，派生类既可以重新定义基类的“虚函数”，也可以重新定义基类的“非虚函数”。前者的行为称为 “override / 覆盖”，后者则属于 “overwrite / 重写”中的一种。

“覆盖”和“重写”的共同点是：基类可以用基类的实现（如果确实该成员函数有提供实现），派生类则可以用基类的，也可以用派生类自己的实现。

到这里都还很好理解：一个功能，基类用基类的，派生类如果重新实现了，就可用自己的。举个例子：假设有个“坦克”作为基类，提供一个功能叫“前行”：

// 普通坦克
class Tank
{
pubic:
    void Forward()
    {
        cout << "我用履带在陆地上前行";
    }
};

 接下来，有个“水陆两用坦克”，它派生类上面的坦克，它提供了新的前行方法：

// 水陆两用坦克
class AmphibiousTank : public Tank
{
public:
     void Forward()
     {
          if (/* 在水中 */)
          {
              cout << "我用螺旋桨在水中前行";
          } 
          else
          {
              Tank::Forward(); // 使用基类的功能 
          }
     }
};

有派生类，自然有基类，因此，在派生类的扩展实现中，可以不用，也可以使用基类的原有实现，这很好理解。但是，“虚函数” 的作用，却是要让基类可以用上派生类对该虚函数重新定义的功能。要知道，在有基类的时候不一定有派生类，并且，一个基类未来可以有许多个派生类，所以，更严谨的说法应该是：虚函数让用基类可以“预定”派生类的功能。

从基类的角度来理解，会直观一些：当一个基类（的设计者）将它的一个成员函数，定义为“虚”函数时，目的就是为了让基类可以“预定”派生类对该函数引入的变化。

这就是 “覆盖”和“重写”的不同点：“覆盖/overide” 可以让基类的代码有机会用到派生类的功能，简单的“重写/overwrite”则无法实现。

不使用虚函数实现基类调用派生类的定制功能的话，可利用 “CRTP”方式实现。

希望基类的代码可真实调用派生类定制功能，这种基类可被称为“框架式基类” （见《白话C++》之练功8.6.7小节）。我们也给个例子（同样来自《白话C++》）——

假设有个射击类游戏，游戏中有个“会飞的目标”是基类。在写基类的阶段，我们就很知道游戏的主干逻辑：

• 第1步：目标飞呀飞呀飞……
• 第2步：目标检查一下周边50米内是否有逼近的子弹？
• 第3步：如果没有子弹，回第1步；
• 第4步：如果有子弹，目标尝试逃避子弹……
• 第5步：逃避成功，回第1步；
• 第6步：逃避失败，目标做最后的演出。

目标可以是鸭子、战机、UFO、美国超人。在游戏的第一个版本，为了极大简单化问题，我们原准备让它们从第1步到第6步，都完全一个模样……但甲方爸爸跳起来了：这游戏还有什么可玩性？！

好吧，我们决定让鸭子、战机、UFO、美国超人在最后一步，也就是“最后的演出”上略有不同。

整个主干逻辑，都可以在基类的“飞/Fly”方法上实现：

// 射击目标的基类
class 会飞的目标
{
public:
    /* 飞翔函数
       返回 true 表示可以继续飞，
       返回 false 表示已挂，不能再飞了 */
    void Fly() 
    {
       cout << "我自由自在地飞呀飞呀飞……\n";

       /* 话外音： 然而，这世上哪有无限的自由！*/
 
       cout << "好吧，让我检查一下边上有没有可恨的子弹……\n";

       // 检查周围飞来的子弹
       auto bullet = this->inspectBulletAround(); 

       if (!bullet) 
       {
            cout << "世界是和平的！\n";
            return true;
       }
       
       // 居然有子弹！尝试逃避！
       if (this->tryEscape(bullet))
       {
            cout << "哈哈哈，我可真厉害！\n";
            return true;
       }

       // 完蛋，没躲开，做最后挣扎吧！
       return this->lastShow();
    }   
private:
     // 检查周围子弹
     Bullet* inspectBulletAround() { ... }   

     // 尝试逃避子弹，基类觉得自己永远躲不开
     bool tryEscape(Bullet* ) { return false; } 
};

如上所说，怎么检查和怎么逃避子弹（事实上还有怎么自由地飞呀飞），无论什么目标，都是相同的，因此该基类提供了 “inspectBulletAround()” 和 “tryEscape()” 的实现，它们是非虚的。

但是！还有个“最后的表演”，“万恶”的甲方爸爸说，这是底线了，一定要让鸭子、战机、UFO、美国超人中弹后的最后表演，各有不同、异彩纷呈。

尽管上面的 Fly() 明显是基类的一个方法，但是，确实可以让它“预定”派生类的方法。这就是“虚函数”的作用。

在本例中，我们只需要将 lastShow() 定义为虚函数。注意，这正是基类在设计上的职责：确定哪些成函数为虚函数，哪些不是——这是面向对象设计中的一个难点，也是一个痛点。

“难点”的意思是：很难，但必须努力去做好。“痛点”的意思是：这件事不仅难，而且，就算是你努力也不一定做得好。

在基类中的 lastShow（）是虚函数这一基础上，它还有两种选择。一是提供默认的实现，比如：

class 会飞的目标
{
public:
    bool Fly() { ... }
    ...
private:
    // 基类提供的“最后表演”的默认实现 （注意有 virtual 修饰）
    virtual bool lastShow() 
    {
        // 默认表演：什么都不做， 直接返回 false，表示 认命而死
        return false;
    }   
};

此时，派生类可以依据自己的实际情况，提供或不提供定制的 lastShow 实现，在提供的情况下，还可以在必要，调用基类的默认实现。

如果基类不提供默认实现，此时称 lastShow 为纯虚函数 (pure-virutal)，表示强制要求每个具体的派生类，都要提供自己定制实现的 lastShow 行为，本辑第3点将进一步详解“纯虚函数”。

接下来，我们定义一个派生类：鸭子，它几乎什么都不用做，除了提供定制的 “lastShow”：

class 鸭子 : public 会飞的目标
{
private:    
   // 鸭子版本的最后表演：
   bool lastShow() override
   {
       std::cout << "嘎~嘎~嘎~，我这一死，真是轻如鸿毛！\n";
       return false; 
   }
};

鸭子类继承了来自基类的 “Fly”。如果此时我们定义出一只鸭子，并调用Fly，会怎样？

鸭子 唐小鸭;
唐小鸭.Fly();  // 调用来自基类的 Fly

会进入基类的Fly函数，如果中弹，会调用 lastShow()。那么，真正的问题来了，此时调用的是基类的lastShow，还是派生类的 lastShow？答：会调用派生类的，尽管这段代码当时是写在基类里的。

作为对比，如果我们让鸭子类也提供自己的 “tryEscape / 逃避方法”，于是有：

class 鸭子 : public 会飞的目标
{
private:
   // 鸭子觉得，自己这么灵活，可以躲开子弹：
   bool tryEscape(Bullet* ) { return true;  } // overwrite 重写
    
   // 鸭子版本的最后表演：
   bool lastShow() override // 覆盖
   {
       std::cout << "嘎~嘎~嘎~，我这一死，真是轻如鸿毛！\n";
       return false; 
   }
};

看 tryEscape 的实现与注释：愚蠢的鸭子觉得自己可以恒定躲开子弹，然而，tryEscape 不是虚函数，这意味着基类并没有“预定”派生类对它的定制实现，所以在基类的 “Fly” 方法中，执行的那个 tryEscape，仍然是基类的……

这就是虚与非虚的区别：基类是否可以预定派生类对该函数的定制实现。针对本例，还有一些细节，你需要特别关注到：

• 我们明确定义了一个派生类的对象，然后调用继承自基类的某个方法（本例中的Fly），这个方法中调用了一个虚函数（本例中的 lastShow），这是虚函数发挥作用的方式之一。下面第2点，我们就会详解虚函数发挥作用的另一种方式。
• 继续第1点，请注意：例中调用的基类方法 Fly，并不是虚的；这是一种常用的虚函数使用方法：在基类的非虚函数中，调用一个虚函数。（《白话C++》中称之为“框架型基类”）；
• 注意：lastShow() 是一个私有方法，但这并不影响因为它是“虚”的，所以假设有人问你：基类的代码有办法调用派生类的某个私有方法吗？请回答：“可以”；
• 派生类在重定义虚函数 lastShow 时，用到了 override，请注意它的出现位置。它的作用在本辑第5点能找到答案。
• 如要作为真实应用，本例中的 “inspectBulletAround()”、“tryEscape()” 等方法显然也应“虚”化。
• 如要作为真实应用，检查得到的子弹 “Bullet ”，也应该是一个基类，然后子弹类也可以提供不少虚函数，并有各种种样的派生类子弹，这样 tryEscape(Bullet) 的实现与调用，就会出现所谓的 “双重分派 / double dispatch”，意思是：tryEscape本身是虚的，不同的“飞行目标”会有不同的逃避子弹方法，而在它的实现中，子弹的一些行为也是“虚”的，于是同一种飞行目标，面对不同子弹时，也理应有不同的表现……

如果对本辑话题有兴趣，请关注本辑课程后面的六节课。也欢迎参与本课堂练习（小测），通过检验强化自己的学习成果。