我們知道，在同一類中是不能定義兩個名字相同、參數個數和類型都相同的函數的，否則就是“重複定義”。但是在類的繼承層次結構中，在不同的層次中可以出現名字相同、參數個數和類型都相同而功能不同的函數。例如在例12.1（具體代碼請查看：C++多態性的一個典型例子）程序中，在Circle類中定義了 area函數，在Circle類的派生類Cylinder中也定義了一個area函數。這兩個函數不僅名字相同，而且參數個數相同(均爲0)，但功能不同，函數體是不同的。前者的作用是求圓面積，後者的作用是求圓柱體的表面積。這是合法的，因爲它們不在同一個類中。 編譯系統按照同名覆蓋的原則決定調用的對象。在例12.1程序中用cy1.area( ) 調用的是派生類Cylinder中的成員函數area。如果想調用cy1 中的直接基類Circle的area函數，應當表示爲 cy1.Circle::area()。用這種方法來區分兩個同名的函數。但是這樣做 很不方便。
人們提出這樣的設想，能否用同一個調用形式，既能調用派生類又能調用基類的同名函數。在程序中不是通過不同的對象名去調用不同派生層次中的同名函數，而是通過指針調用它們。例如，用同一個語句“pt->display( );”可以調用不同派生層次中的display函數，只需在調用前給指針變量 pt 賦以不同的值(使之指向不同的類對象)即可。
打個比方，你要去某一地方辦事，如果乘坐公交車，必須事先確定目的地，然後乘坐能夠到達目的地的公交車線路。如果改爲乘出租車，就簡單多了，不必查行車路線，因爲出租車什麼地方都能去，只要在上車後臨時告訴司機要到哪裏即可。如果想訪問多個目的地，只要在到達一個目的地後再告訴司機下一個目的地即可，顯然，“打的”要比乘公交車 方便。無論到什麼地方去都可以乘同—輛出租車。這就是通過同一種形式能達到不同目的的例子。
C++中的虛函數就是用來解決這個問題的。虛函數的作用是允許在派生類中重新定義與基類同名的函數，並且可以通過基類指針或引用來訪問基類和派生類中的同名函數。
請分析例12.2。這個例子開始時沒有使用虛函數，然後再討論使用虛函數的情況。
[例12.2] 基類與派生類中有同名函數。在下面的程序中Student是基類，Graduate是派生類，它們都有display這個同名的函數。
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
//聲明基類Student
class Student
{
public:
Student(int, string,float); //聲明構造函數
void display( );//聲明輸出函數
protected: //受保護成員，派生類可以訪問
int num;
string name;
float score;
};
//Student類成員函數的實現
Student::Student(int n, string nam,float s)//定義構造函數
{
num=n;
name=nam;
score=s;
}
void Student::display( )//定義輸出函數
{
cout<<"num:"<<num<<"\nname:"<<name<<"\nscore:"<<score<<"\n\n";
}
//聲明公用派生類Graduate
class Graduate:public Student
{
public:
Graduate(int, string, float, float);//聲明構造函數
void display( );//聲明輸出函數
private:float pay;
};
// Graduate類成員函數的實現
void Graduate::display( )//定義輸出函數
{
cout<<"num:"<<num<<"\nname:"<<name<<"\nscore:"<<score<<"\npay="<<pay<<endl;
}
Graduate::Graduate(int n, string nam,float s,float p):Student(n,nam,s),pay(p){}
//主函數
int main()
{
Student stud1(1001,"Li",87.5);//定義Student類對象stud1
Graduate grad1(2001,"Wang",98.5,563.5);//定義Graduate類對象grad1
Student *pt=&stud1;//定義指向基類對象的指針變量pt
pt->display( );
pt=&grad1;
pt->display( );
return 0;
}
運行結果如下：
num:1001(stud1的數據)
name:Li
score:87.5
num:2001 (grad1中基類部分的數據)
name:wang
score:98.5
假如想輸出grad1的全部數據成員，當然也可以採用這樣的方法：通過對象名調用display函數，如grad1.display()，或者定義一個指向Graduate類對象的指針變量ptr，然後使ptr指向gradl，再用ptr->display()調用。這當然是可以的，但是如果該基類有多個派生類，每個派生類又產生新的派生類，形成了同一基類的類族。每個派生類都有同名函數display，在程序中要調用同一類族中不同類的同名函數，就要定義多個指向各派生類的指針變量。這兩種辦法都不方便，它要求在調用不同派生類的同名函數時採用不同的調用方式，正如同前面所說的那樣，到不同的目的地要乘坐指定的不同的公交車，一一 對應，不能搞錯。如果能夠用同一種方式去調用同一類族中不同類的所有的同名函數，那就好了。
用虛函數就能順利地解決這個問題。下面對程序作一點修改，在Student類中聲明display函數時，在最左面加一個關鍵字virtual，即
virtual void display( );
這樣就把Student類的display函數聲明爲虛函數。程序其他部分都不改動。再編譯和運行程序，請注意分析運行結果：
num:1001(stud1的數據)
name:Li
score:87.5
num:2001 (grad1中基類部分的數據)
name:wang
score:98.5
pay=1200 (這一項以前是沒有的)
看！這就是虛函數的奇妙作用。現在用同一個指針變量（指向基類對象的指針變量），不但輸出了學生stud1的全部數據，而且還輸出了研究生grad1的全部數據，說明已調用了grad1的display函數。用同一種調用形式“pt->display()”，而且pt是同一個基類指針，可以調用同一類族中不同類的虛函數。這就是多態性，對同一消息，不同對象有 不同的響應方式。
說明：本來基類指針是用來指向基類對象的，如果用它指向派生類對象，則進行指針類型轉換，將派生類對象的指針先轉換爲基類的指針，所以基類指針指向的是派生類對象中的基類部分。在程序修改前，是無法通過基類指針去調用派生類對象中的成員函數的。虛函數突破了這一限制，在派生類的基類部分中，派生類的虛函數取代了基類原來的虛函數，因此在使基類指針指向派生類對象後，調用虛函數時就調用了派生類的虛函數。 要注意的是，只有用virtual聲明瞭虛函數後才具有以上作用。如果不聲明爲虛函數，企圖通過基類指針調用派生類的非虛函數是不行的。
虛函數的以上功能是很有實用意義的。在面向對象的程序設計中，經常會用到類的繼承，目的是保留基類的特性，以減少新類開發的時間。但是，從基類繼承來的某些成員函數不完全適應派生類的需要，例如在例12.2中，基類的display函數只輸出基類的數據，而派生類的display函數需要輸出派生類的數據。過去我們曾經使派生類的輸出函數與基類的輸出函數不同名（如display和display1），但如果派生的層次多，就要起許多不同的函數名，很不方便。如果採用同名函數，又會發生同名覆蓋。
利用虛函數就很好地解決了這個問題。可以看到：當把基類的某個成員函數聲明爲虛函數後，允許在其派生類中對該函數重新定義，賦予它新的功能，並且可以通過指向基類的指針指向同一類族中不同類的對象，從而調用其中的同名函數。由虛函數實現的動態多態性就是：同一類族中不同類的對象，對同一函數調用作出不同的響應。
虛函數的使用方法是：
- 在基類用virtual聲明成員函數爲虛函數。
這樣就可以在派生類中重新定義此函數，爲它賦予新的功能，並能方便地被調用。在類外定義虛函數時，不必再加virtual。 - 在派生類中重新定義此函數，要求函數名、函數類型、函數參數個數和類型全部與基類的虛函數相同，並根據派生類的需要重新定義函數體。
C++規定，當一個成員函數被聲明爲虛函數後，其派生類中的同名函數都自動成爲虛函數。因此在派生類重新聲明該虛函數時，可以加virtual，也可以不加，但習慣上一般在每一層聲明該函數時都加virtual，使程序更加清晰。如果在派生類中沒有對基類的虛函數重新定義，則派生類簡單地繼承其直接基類的虛函數。 - 定義一個指向基類對象的指針變量，並使它指向同一類族中需要調用該函數的對象。
- 通過該指針變量調用此虛函數，此時調用的就是指針變量指向的對象的同名函數。
通過虛函數與指向基類對象的指針變量的配合使用，就能方便地調用同一類族中不同類的同名函數，只要先用基類指針指向即可。如果指針不斷地指向同一類族中不同類的對象，就能不斷地調用這些對象中的同名函數。這就如同前面說的，不斷地告訴出租車司機要去的目的地，然後司機把你送到你要去的地方。
需要說明；有時在基類中定義的非虛函數會在派生類中被重新定義(如例12.1中的area函數)，如果用基類指針調用該成員函數，則系統會調用對象中基類部分的成員函數；如果用派生類指針調用該成員函數，則系統會調用派生類對象中的成員函數，這並不是多態性行爲(使用的是不同類型的指針)，沒有用到虛函數的功能。
以前介紹的函數重載處理的是同一層次上的同名函數問題，而虛函數處理的是不同派生層次上的同名函數問題，前者是橫向重載，後者可以理解爲縱向重載。但與重載不同的是:同一類族的虛函數的首部是相同的，而函數重載時函數的首部是不同的(參數個數或類型不同)。