C++中，虚函数的作用详解

我个人认为虚函数的作用有两个：

增加安全性；提醒子类去做该做的事情。

提高效率；不是指程序执行效率，而是编码效率。

首先我这里要纠正一下：

一个函数被定义为虚函数，不代表这个函数未被实现；

定义函数为虚函数，表示允许基类使用指针去调用子类实现的这个函数；

当你将函数定义为纯虚函数时，才表示函数未被实现。

纯虚函数相当于一个接口，主要作用是为了规范，程序员必须实现这个继承类的函数。

接下来我们看一个虚函数的经典应用，搞清楚这个例子，你对虚函数会有一个新的认识。

虚函数的虚就虚在“运行时”编译，而C++中的另一个模版是在“编译时”编译，这两者的概念是不同的。

即父类调用子类的函数不是在编译时确定，而是在程序运行时确定。

虚函数要达到多态的效果，只能借助指针或引用。

虚函数的底层实现

虚函数是如何做到因对象的不同而调用其相应的函数的呢？现在我们就来剖析虚函数。我们先定义两个类

实现原理：虚函数表+虚表指针

关键字：虚函数底层实现机制；虚函数表；虚表指针

编译器处理虚函数的方法是：为每个类对象添加一个隐藏成员，隐藏成员中保存了一个指向函数地址数组的指针，称为虚表指针（vptr），这种数组成为虚函数表（virtual function table, vtbl），即，每个类使用一个虚函数表，每个类对象用一个虚表指针。

举个例子：基类对象包含一个虚表指针，指向基类中所有虚函数的地址表。派生类对象也将包含一个虚表指针，指向派生类虚函数表。看下面两种情况：

如果派生类重写了基类的虚方法，该派生类虚函数表将保存重写的虚函数的地址，而不是基类的虚函数地址。

如果基类中的虚方法没有在派生类中重写，那么派生类将继承基类中的虚方法，而且派生类中虚函数表将保存基类中未被重写的虚函数的地址。注意，如果派生类中定义了新的虚方法，则该虚函数的地址也将被添加到派生类虚函数表中。

下面的图片体现了上述的底层实现机制：

调用虚函数时，程序将查看存储在对象中的虚函数表地址，转向相应的虚函数表，使用类声明中定义的第几个虚函数，程序就使用数组的第几个函数地址，并执行该函数。

使用虚函数后的变化

对象将增加一个存储地址的空间（32位系统为4字节，64位为8字节）。

每个类编译器都创建一个虚函数地址表。

对每个函数调用都需要增加在表中查找地址的操作。

纯虚函数

纯虚函数是声明在基类中，没有定义，继承的子类都必须实现该方法。将一个函数声明为纯虚函数，只需在该函数后加一个“=0”。

virtual int Test()=0;

为何要引入纯虚函数？

其一，是为了实现多态机制；

其二，在很多场景下，基类生成的对象都不符合要求，只能通过子类去实现。基类通过指针调用子类函数，类似于泛型，使用不变的代码实现可变的算法。

为了解决上述两个问题，C++引入了纯虚函数，将函数定义为纯虚函数，编译器要求派生类必须重写纯虚函数，以到达实现多态的目的。

纯虚函数所在的类我们称为抽象类，不能生成对象。不能创建抽象类的实例，只能创建子类的实例。

纯虚函数的目的是为了让子类继承函数的接口。

纯虚函数的意义是让所有子类都能够执行纯虚函数的动作，但是基类无法为纯虚函数提供一个缺省的实现。通俗来讲，声明纯虚函数是为了告诉子类，你必须要实现纯虚函数，至于怎么实现纯虚函数，这是你的事情。

抽象类

上面提到纯虚函数所在的类为抽象类，抽象类是一种特殊的类，多用于抽象和设计，通常处于继承结构的上层。例如，在设计模式中，你应该经常会看到抽象类。

作用

将相关的操作作为接口放在基类中，为子类提供一个公共的模版，子类将具体实现基类中的接口操作。

注意

抽象类不能用作于定义对象；

抽象类只能用作于基类，不能作用于子类，纯虚函数的实现由子类完成。如果子类中只是继承了纯虚函数，未对纯虚函数进行定义，该类仍然为抽象类。如果子类实现了基类中的纯虚函数，该类是可以建立具体对象的类，就不在是抽象类。

总结

（1） 基类方法中声明了方法为虚后，该方法在基类派生类中是虚的。

（2） 若使用指向对象的引用或指针调用虚方法，程序将根据对象类型来调用方法，而不是指针的类型。

（3）如果定义的类被用作基类，则应将那些要在派生类中重新定义的类方法声明为虚。

构造函数不能为虚函数。

基类的析构函数应该为虚函数。

友元函数不能为虚，因为友元函数不是类成员，只有类成员才能是虚函数。

如果派生类没有重定义函数，则会使用基类版本。

重新定义继承的方法若和基类的方法不同（协变除外），会将基类方法隐藏；如果基类声明方法被重载，则派生类也需要对重载的方法重新定义，否则调用的还是基类的方法。