深入理解 C++ 虚函数：原理、作用与使用场景

深入理解 C++ 虚函数：原理、作用与使用场景

在 C++ 中，虚函数（virtual）是实现 多态 的关键机制。它允许通过基类指针或引用调用派生类中重写的函数，从而在运行时根据对象的真实类型决定调用哪个版本的函数。

本文将从以下几个方面来全面解析 C++ 虚函数的概念与实际使用场景：

• 虚函数是否影响类的实例化？
• 普通虚函数的作用与接口默认实现
• override 关键字的必要性与建议

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一、类中含有虚函数是否影响实例化？

这是一个常见的误区：虚函数本身不会阻止类的实例化。影响类是否能被实例化的，是“纯虚函数”（pure virtual function），而不是虚函数。

可以实例化：含有普通虚函数的类

class Base {
public:
    virtual void foo() {
        // 默认实现
    }
};

Base b;  // 正常实例化

无法实例化：含有纯虚函数的类（抽象类）

class Base {
public:
    virtual void foo() = 0;  // 纯虚函数
};

Base b;  // 编译错误：抽象类不能被实例化

可通过派生类实例化

如果派生类实现了所有纯虚函数，就可以实例化派生类：

class Derived : public Base {
public:
    void foo() override {
        // 实现了纯虚函数
    }
};

Derived d;  // OK

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二、普通虚函数的三大作用

1. 实现运行时多态（多态性）

虚函数最主要的作用是支持运行时多态：当使用基类指针或引用指向派生类对象时，能够调用派生类实现的函数。

class Base {
public:
    virtual void foo() {
        std::cout << "Base foo" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void foo() override {
        std::cout << "Derived foo" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base* b = new Derived();
    b->foo();  // 输出：Derived foo
    delete b;
}

2. 提供默认实现（可选重写）

普通虚函数不仅定义了一个接口，还提供了默认行为。如果派生类不重写该函数，会使用基类的实现。

class Base {
public:
    virtual void foo() {
        std::cout << "Base default foo" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
    // 不重写 foo()
};

int main() {
    Base* b = new Derived();
    b->foo();  // 输出：Base default foo
    delete b;
}

3. 可作为“带默认实现”的接口

虽然 C++ 使用纯虚函数定义接口，但在实际开发中，很多接口方法都希望提供一个默认实现——这正是普通虚函数的用武之地。

示例：接口与默认行为结合

class Shape {
public:
    virtual void draw() {
        std::cout << "Drawing a generic shape" << std::endl;
    }
};

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        std::cout << "Drawing a circle" << std::endl;
    }
};

class Square : public Shape {
    // 没有重写 draw()，使用默认实现
};

int main() {
    Shape* s1 = new Circle();
    Shape* s2 = new Square();

    s1->draw();  // 输出: Drawing a circle
    s2->draw();  // 输出: Drawing a generic shape

    delete s1;
    delete s2;
}

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三、派生类重写虚函数必须使用 override 吗？

答案是：不是必须，但强烈推荐使用 override。

不使用 override 也能正常工作

class Base {
public:
    virtual void foo() {
        std::cout << "Base foo" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void foo() {  // 未加 override，仍然重写成功
        std::cout << "Derived foo" << std::endl;
    }
};

不加 override 容易出错

如果不小心拼错函数名或参数列表，就不会发生重写，也没有任何编译错误提示，可能导致运行时行为异常。

class Base {
public:
    virtual void foo() {
        std::cout << "Base foo" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void fooo() override {  // 编译错误：没有重写任何虚函数
        std::cout << "Derived foo" << std::endl;
    }
};

使用 override 的好处

• 提供编译期检查，避免拼写错误或签名不一致
• 明确表达你的意图：这是一个重写操作
• 提高代码可读性和可维护性

void foo() override;  // 推荐写法

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总结

特性	描述
虚函数 (virtual)	支持运行时多态；可被派生类重写
纯虚函数 (= 0)	类变成抽象类，不能实例化；派生类必须重写
普通虚函数	可被重写，也可保留默认实现
override 关键字	非必须，但推荐使用；提供编译时检查

虚函数是 C++ 面向对象设计的基础，它的合理使用可以极大提高程序的灵活性和可扩展性。在实际开发中，应根据需要选择使用纯虚函数（接口抽象）或普通虚函数（接口 + 默认实现），并养成使用 override 的良好编码习惯。

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