什么是虛函數？

虛函數是基類中聲明的成員函數，且使用者期望在派生類中將其重新定義。那么，在C++ 中，什么是虛函數呢？在C++ 中，通常將虛函數用于實現運行時多態，該特性由 C++ 提供，適用于面向對象編程。我們將在下文更為詳細地討論運行時多態。不論函數調用所使用的指針或引用類型如何，虛函數最為重要的工作是確保函數調用正確。

1虛函數的使用規則

C++虛函數必須遵循幾個關鍵規則：

• 在基類中使用virtual關鍵詞來聲明函數

• 虛函數不能為靜態函數

• 為實現運行時多態，應使用指針或引用來訪問虛擬函數

• 對于基類和派生類而言，此類函數的原型應該相同（允許使用協變式返回類型，我們將在下文進行討論）

• 如果基類中含有虛函數，則應該使用虛擬析構函數，防止析構函數調用錯誤

2 用 C++ 運行虛函數的示例

虛函數在C++ 中的運行情況：

class Pet {
public:
    virtual ~Pet() {}
    virtual void make_sound() const = 0;
};


class Dog: public Pet {
public:
    virtual void make_sound() const override {
        std::cout << "raf raf
";
    }
};


class Cat: public Pet {
public:
    virtual void make_sound() const override {
        std::cout << "mewo
";
    }
};


int main() {
    Cat mitzi;
    Dog roxy;
    Pet *pets[] = {&mitzi, &roxy};
    for(auto pPet: pets) {
        pPet->make_sound();
    }
}

class PetFactory {
public:
    virtual ~PetFactory() {}
    virtual Pet* create() const = 0;
} 


class DogFactory: public PetFactory {
public:
    virtual Dog* create() const override {
        return new Dog();
    }
}; 


class CatFactory: public PetFactory {
public:
    virtual Cat* create() const override {
        return new Cat();
    }
};


int main() {
    std::vector pets;
    DogFactory df;
    CatFactory cf;
    PetFactory* petFactory[] = {&df, &cf};
    for(auto factory: petFactory) {
        pets.push_back(factory->create());
    }
    for(auto pPet: pets) {
        pPet->make_sound();
    }
    for(auto pPet: pets) {
        delete pPet;
    }
}

現在，如果您已經花費時間研究過 C++，可能會注意到，不需要由虛函數來重新定義派生類中的基函數。但存在這樣的巨大區別，使得虛函數不可或缺：虛函數覆寫基類函數，從而實現運行時多態。從本質上講，多態指一個函數或對象以不同方式執行的能力，具體情況視使用方式而定。這屬于面向對象編程的關鍵特性——結合其他眾多特性，使得 C++ 作為編程語言而有別于 C 語言。

class Prism {
    double height;
public:
    virtual ~Prism() {}
    virtual double baseArea() const = 0;
    double volume() const {
        return height * baseArea();
    }
    // ...
};


class Cylinder: public Prism {
    double radius;
public:
    double baseArea() const override {
         return radius * radius * std::pi
    }
    // ...
};

虛函數功能極為強大，但它們并非毫無缺點。開始使用虛函數前，您應該注意以下事項：

1 性能

無論是在運行時性能還是在內存方面，虛函數成本都要比普通函數高。

內存部分通常冗余，取決于實現方式，但最為常見的是每個對象都有一個額外內部指針。這并不是什么大問題，除非我們有數以百萬計的小對象，這些小對象的額外指針可能會引起內存問題。

函數的運行時性能成本不是一次跳轉而是兩次跳轉，或者如果可以內聯函數，性能成本就是兩次跳轉而不是零次跳轉。虛函數需要跳轉到虛函數表，再跳轉到函數本身。這種額外跳轉增加了 CPU 指令緩存中指令未準備就緒的概率，因此，這兩次跳轉并非唯一成本。

最后，如果您需要實現多態，與其他替代方案相比，性能方面的額外成本通常也在情理之中。然而，若要將第一個虛函數添加到類中，通常需要考慮額外成本。

2設計問題

繼承，特別是虛函數，會引起設計問題。繼承層次結構設計糟糕可能會導致類膨脹和類之間關系異常。

從構造函數和析構函數調用虛函數的規則也會影響您的設計。從構造函數和析構函數調用的任何虛函數都不是多態函數，這樣一來，有時需要將操作從構造函數轉移到 init 虛擬函數。

為避免糟糕設計，應切記繼承和多態并非是應對任何問題的最佳解決方案。請觀看 Sean Parent 的演講”Inheritance is the Base Class of Evil“，深入了解相關內容。

3 調試，容易出錯

諷刺的是，虛函數面臨的挑戰之一是缺乏彈性。

由于需要遵循調用流程，調試虛函數調用可能會變得稍顯混亂。一般來說，遵循函數調用并不十分困難，但根據對象類型，在遵循隱藏調度方面，仍然需要進行額外工作。調試器會自行糾正錯誤，但決定斷點位置可能會變得更加困難。

至于更容易出錯，在某些情況下，不應調用虛函數的基類實現；而在某些情況下，應在開始時調用，有時也在結束時調用。由于忘記調用基類實現，或是在錯誤的地方、不需要的時候調用，使用虛函數極其容易出錯。