C++之虚函数

虚函数与纯虚函数

虚函数

虚函数是指在基类中使用关键字virtual声明的函数，其是实现运行时多态的核心机制，允许派生类重写基类方法，通过基类指针或引用调用实际对象的函数。
比如说，基类Animal中有一个虚函数speak()，然后子类Dog和Cat各自重写该函数，当使用Animal指针指向Dog或Cat对象时，调用speak()就会根据实际对象类型执行对应的函数。

纯虚函数

纯虚函数就是在基类声中声明虚函数时加上=0，这样基类就变成了抽象类（包含纯虚函数的类只用作基类），不能实例化（不能创建该类的对象，类的实例化和创建类的对象在C++中通常指的是同一个过程，即将类的定义转化为具体的内存实体），派生类必须实现这个纯虚函数才能被实例化。
比如：virtual void speak()=0; 这样，Animal类就是抽象类，Dog必须实现speak()才能创建对象。

虚函数的工作原理

通常，编译器处理虚函数的方法为：给每个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。这种数组就称为虚函数表（virtual function table，vtbl），这种指针就称为虚指针（virtual pointer，vptr）。虚函数表中存储了为类对象进行声明的虚函数的地址。
基类对象包含一个指针，该指针指向基类中所有虚函数的地址表，则其派生类对象将包含一个指向指向独立地址表的指针。无论类中包含的虚函数是1个还是10个，均只需要在对象中添加一个地址成员，只是表的大小不同而已

1. 如果派生类提供了虚函数的新定义，该虚函数表将保存新函数的地址
2. 如果派生类没有重新定义虚函数，该虚函数表将保存函数原始版本的地址
3. 如果派生类定义了新的虚函数，则该函数的地址也将被添加到虚函数表中

具体见下示例：

class Scientist{ 
{
	··· 
	char name[40]; 
public: 
	virtual void show_name(); 
	virtual void show_all(); 	
	···
};
class Physicist : public Scientist 
{ 
	··· 
	char field[40]; 
public: 
	void show_all();	//redefined
	virtual void show_field(); //new
	···
}; 

上述代码中，具体虚函数表情况如下：

Physicist adam("Adam Crusher", "nucleat structure");
Scientist *psc = &adam;
psc->show_all();

上代码中psc->show_all();的具体过程为：

1. 获悉psc->vptr的地址(2096)
2. 前往2096处的表
3. 获悉表中第2个函数的地址(6820)
4. 前往地址6820，并执行此处的函数

还有一个问题：虚函数表是每个类一个，还是每个对象一个？

每个类有一个虚函数表，而每个对象有一个指向该表的指针。这样节省空间，即同一个类的所有对象共享同一个虚函数表，只需要各自维护一个vptr即可。

构造函数/析构函数/友元函数与虚函数的关系

构造函数不能是虚函数，因为在构造对象时，对象的类型是明确的，不会存在派生类构造时还需要动态绑定（动态联编）的情况，即创建派生类对象时，将调用派生类的构造函数，而不是基类的构造函数，派生类不继承基类的构造函数，所以将类构造函数声明为虚无任何意义。

静态联编（静态绑定）：Static Binding，在编译阶段确定函数调用的具体实现，基于变量或表达式的静态类型（声明类型）
动态联编（动态绑定）：Dynamic Binding，在运行时根据对象的实际类型（动态类型）确定函数调用的具体实现

析构函数应当是虚函数，除非该类不用做基类，因为如果基类析构函数不是虚函数，那么删除基类指针指向的派生类对象时，行为是未定义的，通常只会调用基类的析构函数，导致派生类的资源未被释放，内存泄漏。所以，如果一个类可能被继承，并且可能通过基类指针删除对象，那么基类的析构函数必须声明为虚的。同时，通常应给基类提供一个虚析构函数，即使它并不需要析构函数
比如：

class Base{
public:
	virtual ~Base(){}
};

class Derived : public Base{
public:
	~Derived() override{
		//释放Derived的资源
	}
};

按照上代码，当Base *ptr = new Derived(); delete ptr; 时，会先调用Derived的析构函数，再调用Base的析构函数，正确释放资源。

友元函数不能是虚函数，因为友元函数不是类成员，而只有成员才能是虚函数。

重写虚函数

在派生类中重写虚函数时，可以使用override关键字（C++11引入）来显式说明，这样编译器会检查是否真的重写了类的虚函数，防止因为函数签名不一致而导致的错误。比如，如果基类有virtual void foo(int)，而派生类写了void foo(float)，可能不会被认为是重写，导致错误。而使用override的话，编译器会报错，提示没有重写。

关键字扩展
override(C++11)：显式标记重写，编译器检查签名一致性
final(C++11)：阻止类被继承或虚函数被重写
使用上述两个关键字可有效增加代码的安全性

虚函数默认参数问题

如果基类虚函数有默认参数，则派生类重写时不应该改变默认参数的值，因为默认参数的值是在编译时根据指针或引用的静态类型决定的，而不是动态类型，所以，如果基类虚函数有默认参数，派生类重写时即使改变了默认参数，当通过基类指针调用时，使用的还是基类的默认参数，这样可能会导致意料之外的结果。
比如：基类有virtual void foo(int x = 1)，派生类重写为void foo(int x = 2)。当通过基类指针调用foo()，执行的是派生类的函数体，但这时参数x的值为1，而可能函数体期望的值为2，这就可能导致错误。故应该避免在虚函数中使用默认参数，或者在派生类中保持默认参数与基类中的默认参数一致。

虚函数在构造函数和析构函数中的行为

在基类的构造函数中调用虚函数，实际调用的是基类自己的版本，而不是派生类的，因为此时派生类尚未构造完成，对象类型被视为基类。
在析构函数中调用虚函数，同样只会调用当前类的版本，因为派生类已经被析构。
因此，在构造函数和析构函数中调用虚函数可能不会得到预期的多态行为，应该避免这样做。

C++多态：
其是面向对象编程的核心特性之一，允许不同类的对象对同一消息（方法调用）做出响应。其核心思想是一个接口，多种实现，通过多态可以显著提升代码的灵活性和可维护性。

分为编译时多态（静态多态）和运行时多态（动态多态）
静态多态：
在编译阶段确定具体调用函数，实现方式有函数重载、运算符重载和模板
动态多态：
在程序运行时确定调用的函数，实现方式为虚函数+继承