【C++】虚函数的定义和使用

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前言

在C++中，虚函数（virtual function）是指在基类中声明为virtual的成员函数，它可以在派生类中被重写（override）。虚函数的主要作用是支持多态，使得通过基类指针或引用调用派生类的重写函数时，能够根据实际对象的类型来选择合适的函数实现，而不是根据指针或引用的类型来决定。

虚函数的定义

1. 在基类中声明为virtual：
   • 在基类中声明一个函数为虚函数，表示该函数可以在派生类中被重写。
   • 即使在派生类中没有显式地重写该函数，调用时仍然会保持虚函数的行为。
2. 在派生类中重写虚函数：
   • 在派生类中重写该虚函数时，需要保持相同的函数签名（返回类型、函数名、参数类型等）。
   • 重写的虚函数会覆盖基类中的虚函数。
3. 通过基类指针或引用调用：
   • 如果通过基类的指针或引用来调用虚函数，程序会根据对象的实际类型（即它指向或引用的对象的类型）来决定调用哪个版本的函数。

虚函数的使用示例

class Animal {
public:
    // 虚函数
    virtual void speak() const {
        cout << "Animal speaks" << endl;
    }
    
    virtual ~Animal() {
        cout << "Animal destructor" << endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    // 重写虚函数
    void speak() const override {
        cout << "Dog barks" << endl;
    }

    ~Dog() {
        cout << "Dog destructor" << endl;
    }
};

int main() {
    Animal* animalPtr = new Dog();  // 基类指针指向派生类对象
    animalPtr->speak();  // 通过基类指针调用虚函数，实际调用派生类的重写版本
    delete animalPtr;  // 注意析构函数的调用顺序
    return 0;
}

输出

Dog barks
Dog destructor
Animal destructor

说明

1. Animal类中定义了一个虚函数speak()，派生类Dog重写了这个函数。
2. 在main()中，创建了一个Animal类型的指针，指向了一个Dog类型的对象。当通过animalPtr调用speak()时，由于speak()是虚函数，因此会调用Dog类中的版本。
3. 即使animalPtr是Animal类型的指针，实际调用的函数是Dog类中的void speak()，这就是多态的表现。

虚函数的其他特点

1. 虚函数的析构函数：
   如果类中有虚函数，那么它的析构函数通常也应该声明为虚函数。这样可以确保在通过基类指针删除派生类对象时，正确地调用派生类的析构函数，避免资源泄漏。

2. 纯虚函数（Abstract Function）：
   如果一个类包含纯虚函数，那么它就成为一个抽象类，不能直接实例化。纯虚函数的定义是将虚函数的声明末尾加上= 0，例如：

virtual void speak() = 0;  // 纯虚函数

纯虚函数必须由派生类进行重写。

3. 虚函数表（vtable）：
   C++编译器通常使用一个虚函数表（vtable）来实现虚函数的调用。每个包含虚函数的类都会有一个虚函数表，表中记录了类中所有虚函数的地址。在程序运行时，通过虚函数表来动态地调用对应的函数，这就是动态绑定。

注意事项：

1. 性能开销：
   使用虚函数会有一定的性能开销，因为每次调用虚函数时，程序都需要通过虚函数表来查找实际的函数地址。
2. 构造函数不能是虚函数：
   类的构造函数不能是虚函数，尽管析构函数可以。因为构造函数的调用发生在对象创建时，而此时虚函数表还没有完全构建好。

总结

虚函数是实现多态的核心机制，它使得基类指针或引用可以根据对象的实际类型调用派生类中的重写函数。通过使用虚函数，可以使得程序具有更好的扩展性和灵活性。