C++ 虚拟函数的作用和实现方法

一、什么是虚函数？
在某基类中声明为 virtual 并在一个或多个派生类中被重新定义的成员函数，用法格式为：virtual 函数返回类型 函数名（参数表） {函数体}；实现多态性，通过指向派生类的基类指针或引用，访问派生类中同名覆盖成员函数。

二、虚函数定义
简单地说，那些被virtual关键字修饰的成员函数，就是虚函数。虚函数的作用，用专业术语来解释就是实现多态性（Polymorphism），多态性是将接口与实现进行分离；用形象的语言来解释就是实现以共同的方法，但因个体差异，而采用不同的策略。下面来看一段简单的代码。

#include<iostream>
using namespace std;
class A
{
    public:
        void print()
        {
            cout<<"This is A"<<endl;
        }
};
 
class B : public A
{
    public:
        void print()
        {
            cout<<"This is B"<<endl;
        }
};
 
int main()
{
    //为了在以后便于区分，我这段main()代码叫做main1
    A a;
    B b;
    a.print();
    b.print();
    return 0;
}

输出结果分别是“This is A”、“This is B”。
通过class A和class B的print（）这个接口，可以看出这两个class因个体的差异而采用了不同的策略，但这并不是多态性行为（使用的是不同类型的指针），没有用到虚函数的功能。现在把main（）处的代码改一改。

int main()
{
    //main2
    A a;
    B b;
    A *p1 = &a;
    A *p2 = &b;
    p1->print();
    p2->print();
    return 0;
}

运行一下看看结果，结果却是两个This is A（错）。
问题来了，p2明明指向的是class B的对象但却是调用的class A的print（）函数，这不是我们所期望的结果，那么解决这个问题就需要用到虚函数。

class A
{
    public:
        virtual void print(){cout<<"This is A"<<endl;}
};
class B : public A
{
    public:
    void print(){cout<<"This is B"<<endl;}
};

毫无疑问，class A的成员函数print（）已经成了虚函数，那么class B的print（）成了虚函数了吗？回答是Yes，我们只需在把基类的成员函数设为virtual，其派生类的相应的函数也会自动变为虚函数。所以，class B的print()也成了虚函数。那么对于在派生类的相应函数前是否需要用virtual关键字修饰，那就是你自己的问题了（语法上可加可不加，不加的话编译器会自动加上，但为了阅读方便和规范性，建议加上）。
现在重新运行main2的代码，这样输出的结果就是This is A和This is B了。
现在来消化一下，我作个简单的总结，指向基类的指针在操作它的多态类对象时，会根据不同的类对象，调用其相应的函数，这个函数就是虚函数。

三、虚函数的作用
C++中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态，简而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数（动态绑定）。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”，这是一种泛型技术。所谓泛型技术，说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比如：模板技术，RTTI技术，虚函数技术，要么是试图做到在编译时决议，要么试图做到运行时决议。

四、虚函数的底层实现
虚函数是如何做到因对象的不同而调用其相应的函数的呢？现在我们就来剖析虚函数。我们先定义两个类
实现原理：虚函数表+虚表指针

关键字：虚函数底层实现机制；虚函数表；虚表指针

编译器处理虚函数的方法是：为每个类对象添加一个隐藏成员，隐藏成员中保存了一个指向函数地址数组的指针，称为虚表指针（vptr），这种数组成为虚函数表（virtual function table, vtbl），即，每个类使用一个虚函数表，每个类对象用一个虚表指针。

举个例子：基类对象包含一个虚表指针，指向基类中所有虚函数的地址表。派生类对象也将包含一个虚表指针，指向派生类虚函数表。看下面两种情况：

如果派生类重写了基类的虚方法，该派生类虚函数表将保存重写的虚函数的地址，而不是基类的虚函数地址。

如果基类中的虚方法没有在派生类中重写，那么派生类将继承基类中的虚方法，而且派生类中虚函数表将保存基类中未被重写的虚函数的地址。注意，如果派生类中定义了新的虚方法，则该虚函数的地址也将被添加到派生类虚函数表中。

下面的图片体现了上述的底层实现机制：

调用虚函数时，程序将查看存储在对象中的虚函数表地址，转向相应的虚函数表，使用类声明中定义的第几个虚函数，程序就使用数组的第几个函数地址，并执行该函数。

五、使用虚函数后的变化
（1） 对象将增加一个存储地址的空间（32位系统为4字节，64位为8字节）。
（2） 每个类编译器都创建一个虚函数地址表。
（3） 对每个函数调用都需要增加在表中查找地址的操作。

六、虚函数的注意事项
总结前面的内容
（1） 基类方法中声明了方法为虚后，该方法在基类派生类中是虚的。
（2） 若使用指向对象的引用或指针调用虚方法，程序将根据对象类型来调用方法，而不是指针的类型。
（3）如果定义的类被用作基类，则应将那些要在派生类中重新定义的类方法声明为虚。
构造函数不能为虚函数。
基类的析构函数应该为虚函数。
友元函数不能为虚，因为友元函数不是类成员，只有类成员才能是虚函数。
如果派生类没有重定义函数，则会使用基类版本。
重新定义继承的方法若和基类的方法不同（协变除外），会将基类方法隐藏；如果基类声明方法被重载，则派生类也需要对重载的方法重新定义，否则调用的还是基类的方法。