c++ 虚函数使用笔记

1. 虚函数基础

定义：虚函数是实现 运行时多态（动态绑定） 的核心机制，允许通过基类指针或引用调用派生类的函数。
语法：使用 virtual 关键字声明，非静态成员函数和析构函数可以声明为虚函数，构造函数不能是虚函数。

class Base {
public:
    virtual void func() { 
        std::cout << "Base::func()" << std::endl; 
    }
    virtual ~Base() {} // 虚析构函数（关键！）
};

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2. 动态绑定（运行时多态）

原理：通过基类指针或引用调用虚函数时，实际执行的是 对象实际类型 的虚函数。
示例：

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

int main() {
    Base* ptr = new Derived();
    ptr->func(); // 输出 "Derived::func()"
    delete ptr;
}

关键点：

• 动态绑定仅通过指针或引用生效（直接对象调用不触发多态）。
• 虚函数调用依赖 虚函数表（vtable） ，每个多态类有一个 vtable，存储虚函数地址。

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3. 虚函数表（vtable）

结构：

• 每个多态类（含虚函数）隐式生成一个 vtable。
• 对象内存布局中有一个指向 vtable 的指针（vptr）。
• vtable 中按声明顺序存储虚函数地址。

内存模型示例：

+---------------------+
| Derived 对象        |
| +-----------------+ |
| | vptr            | --> [Derived::func()地址, ...]
| | 其他成员变量     | |
| +-----------------+ |
+---------------------+

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4. 纯虚函数与抽象基类

纯虚函数：用 = 0 标记，强制派生类实现。含纯虚函数的类为 抽象基类，不能实例化。

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

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override { 
        std::cout << "绘制圆形" << std::endl; 
    }
};

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5. 虚函数重写规则

• 函数签名一致：函数名、参数列表、const 修饰符必须相同。
• 返回类型协变：允许返回基类虚函数返回类型的派生类型（仅限指针或引用）。
• 使用 override 关键字（C++11+）：显式标记重写，避免签名错误。

class Derived : public Base {
public:
    void func() override { 
        // 显式标记重写，若签名不匹配则编译报错
    }
};

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6. final 关键字

• 标记类：禁止继承。
• 标记虚函数：禁止派生类重写。

class Base final {};          // 类不可继承
class Base {
public:
    virtual void func() final; // 函数不可重写
};

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7. 关键注意事项

7.1 构造函数中调用虚函数

• 问题：在基类构造函数中调用虚函数，实际调用的是基类的版本（派生类尚未构造完成）。

class Base {
public:
    Base() { func(); } // 调用 Base::func()
    virtual void func() { std::cout << "Base"; }
};

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

int main() {
    Derived d; // 输出 "Base"
}

7.2 虚析构函数

• 必要性：若通过基类指针删除派生类对象，基类析构函数必须为虚函数，否则导致资源泄漏。

Base* ptr = new Derived();
delete ptr; // 若 ~Base() 非虚，仅调用 Base 的析构函数！

7.3 虚函数的缺省实参

• 静态绑定：缺省实参的值由调用者的静态类型决定，而非动态类型。

class Base {
public:
    virtual void func(int x = 1) { 
        std::cout << x; 
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void func(int x = 2) override { 
        std::cout << x; 
    }
};

int main() {
    Base* ptr = new Derived();
    ptr->func(); // 输出 "1"（缺省实参由 Base 决定）
}

7.4 修改派生类虚函数的访问权限

• 允许但危险：派生类可以修改虚函数的访问权限（如从 public 改为 private），但会破坏设计逻辑。

class Base {
public:
    virtual void func() {}
};

class Derived : public Base {
private:
    void func() override {} // 合法但违反直觉
};

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8. dynamic_cast 与虚函数

• 关联性：dynamic_cast 依赖虚函数表（vtable）实现运行时类型检查，因此只能用于多态类型。

Base* ptr = new Derived();
Derived* d = dynamic_cast<Derived*>(ptr); // 成功
if (d) { /* 安全使用 d */ }

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9. 性能与设计建议

• 虚函数调用成本：比非虚函数多一次间接寻址（访问 vtable）。
• 何时使用虚函数：
  • 需要运行时多态时。
  • 基类定义通用接口，派生类实现具体逻辑。
• 何时避免虚函数：
  • 性能敏感代码（如高频循环）。
  • 简单对象无需多态时。

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总结

虚函数是 C++ 多态的核心机制，通过动态绑定实现灵活的运行时行为。关键要点：

1. 基类析构函数必须为虚函数。
2. 使用 override 和 final 增强代码安全性。
3. 避免在构造函数中调用虚函数。
4. 理解虚函数表的内存模型及其性能影响。

示例代码整合：

#include <iostream>

class Animal {
public:
    virtual void speak() = 0; // 纯虚函数
    virtual ~Animal() = default;
};

class Dog : public Animal {
public:
    void speak() override { 
        std::cout << "Woof!" << std::endl; 
    }
};

class Cat : public Animal {
public:
    void speak() override { 
        std::cout << "Meow!" << std::endl; 
    }
};

int main() {
    Animal* animals[] = {new Dog(), new Cat()};
    for (auto* animal : animals) {
        animal->speak(); // 动态绑定
        delete animal;
    }
    return 0;
}

输出：

Woof!
Meow!