C++ 虛函數

1. 什麼是虛函數

在某基類中聲明爲virtual 並在一個或多個派生類中被重新定 義的成員函數，用法格式爲：

virtual 函數返回類型 函數名（參數表） {函數體}；

virtual void aboutMe()
{
    cout << "I am a person." << endl;
}

簡單地說，那些被virtual關鍵字修飾的成員函數，就是虛函數。虛函數的作用，用專業術語來解釋就是實現多態性，多態性是將接口與實現進行分離；用形象的語言來解釋就是實現以共同的方法，但因個體差異，而採用不同的策略。

2. 爲什麼要用虛函數

看如下代碼，是一個 Person 的基類和一個Student的繼承類。

class Person
{
    int id; // 所有成員默認爲私有(Private)
    char name[50];
public:
    void aboutMe()
    {
        cout << "I am a person." << endl;
    }
};

class Student : public Person
{
public:
    void aboutMe()
    {
        cout << "I am a student." << endl;
    }
};

定義一個Student類型的指針變量：

Student *p1 = new Student();
p1->aboutMe(); // 打印輸出“I am a student.”

如果把上面的 p1 定義爲 Person *又會如何？

Person *p2 = new Student();
p2->aboutMe(); // 打印輸出“I am a person.”

p2明明是指向一個Student類型的對象，爲什麼p2->aboutMe()的輸出會是“I am a person.”，也就是調用Person基類的aboutMe()方法呢？

這是因爲指針類型在編譯時已知，因此編譯器在編譯的時候，將p2->aboutMe()中的aboutMe()關聯到了Person::aboutMe()，也就是所謂的靜態綁定(static binding)機制。也就是說編譯器在編譯的時候就告訴p2->aboutMe()，等到執行你的時候就直接執行Person基類中的aboutMe()方法。

3. 爲什麼使用靜態綁定

因爲靜態綁定是 c++ 的默認選項，實際上還有動態綁定，編譯器對虛函數使用的就是動態綁定。

c++ 將靜態綁定設爲默認選項主要有一下兩方面考慮：

1. 效率
   爲使程序能夠在運行階段進行決策，必須採用一些方法來跟蹤基類指針或引用指向的對象類型，這將增加額外的處理開銷（也就是動態綁定）。如果派生類不重新定義基類的方法，也就不需要動態綁定，此時，使用靜態綁定更合理，更高效。
2. 概念模型
   在設計類時，可能包含一些不在或者不希望在派生類中重新定義的成員函數，就不將其設計成虛函數。這樣也表明，僅那些預期將要被重新定義的方法聲明爲虛的。

4. 使用虛函數

還是以上面的兩個類爲例，修改Person類如下所示：

class Person
{
    ...
    virtual void aboutMe()  // 僅更新此處
    {
        cout << "I am a person." << endl;
    }
};

此時：

Person *p2 = new Student();
p2->aboutMe(); // 打印輸出“I am a student.”

virtual告訴編譯器，根據指針在運行時的類型有選擇的調用正確的方法。也就是說p2->aboutMe()是調用Person::aboutMe() 還是Student::aboutMe()是在運行的時候根據p2指針的類型決定的。

5. 虛函數的工作原理

通常，編譯器處理虛函數的方法是：給每一個對象添加一個隱藏的指針成員(vptr)。隱藏成員保存了一個指向函數地址數組的指針。這種數組稱爲虛函數表。

虛函數表中存儲了爲類對象進行聲明的虛函數的地址。

例如：

基類對象包含一個指針，該指針指向基類中所有虛函數的地址表。派生對象將包含一個指向對立地址表的指針，如果派生對象提供了虛函數的新定義，該虛函數表將保存新函數的地址；如果派生類定義了新的虛函數，則該新函數的地址也將添加到虛函數表中。

看如下代碼：

class Person
{
    int id; // 所有成員默認爲私有(Private)
    char name[50];
public:
    virtual void aboutMe();
    virtual void saySomething();
};

class Student : public Person
{
    char school[50];
public:
    void saySomething();
    virtual void learnSomthing();
};

1. 在Person基類定義了虛函數aboutMe()，在Student中併爲重新定義。
2. 在Person基類定義了虛函數saySomething()，並在Student中重新定義saySomething()。
3. 在Student繼承類中添加了新的虛函數learnSomething()。

實際上，無論類中包含的虛函數是1個還是多個，都只需要在對象中添加一個地址成員，只是表的大小不同而已。

6. 注意

1. 虛方法是繼承的，一旦在基類中將每個方法聲明爲虛方法，則在子類中不可能再把它聲明爲非虛方法了。
2. 析構器都是虛方法，可以防止內存泄漏。
3. 構造器都不是虛方法。創建派生類對象時，將調用派生類的構造函數，而不是基類的構造函數，然後派生類的構造函數將使用基類的構造函數，這種順序不同於繼承機制，因此，派生類不繼承基類的構造函數。
4. 使用虛函數時，在內存和執行速度方面有一定的成本：包括
   
   1. 每個對象都將增大，增大量爲存儲地址的空間
   2. 對於每個類，編譯器都創建一個虛函數地址表
   3. 對於每個虛函數調用，都需要執行一些額外操作，即到表中查找地址。
5. 如果要在派生類中重新定義基類的方法，則將它設置爲虛方法，否則設置爲非虛方法。

7. 參考

《C++ Primer Plus》13.4 靜態聯編和動態聯編

《程序員面試金點》8.13