为什么C++需要虚函数？

技术背景

在C++中，继承是一个重要的特性，它允许一个类（派生类）继承另一个类（基类）的属性和方法。然而，当通过基类指针或引用调用派生类对象的方法时，可能会出现一些问题。为了解决这些问题，C++引入了虚函数的概念。虚函数是实现运行时多态的关键，它允许在运行时根据对象的实际类型来决定调用哪个函数。

实现步骤

1. 定义基类和派生类

首先，定义一个基类，并在其中声明虚函数。然后，定义派生类，并重写基类的虚函数。

#include <iostream>
using namespace std;

// 基类
class Animal {
public:
    virtual void eat() {
        cout << "I'm eating generic food." << endl;
    }
};

// 派生类
class Cat : public Animal {
public:
    void eat() override {
        cout << "I'm eating a rat." << endl;
    }
};
CPP

2. 通过基类指针调用虚函数

在主函数中，创建基类和派生类的对象，并使用基类指针指向派生类对象，然后调用虚函数。

int main() {
    Animal* animal = new Animal();
    Cat* cat = new Cat();
    Animal* animalCat = cat;

    animal->eat(); // 输出: "I'm eating generic food."
    cat->eat();    // 输出: "I'm eating a rat."
    animalCat->eat(); // 输出: "I'm eating a rat."

    delete animal;
    delete cat;
    return 0;
}
CPP

核心代码

虚函数实现运行时多态

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal {
public:
    virtual void MakeTypicalNoise() = 0; // 纯虚函数，使Animal成为抽象类
    virtual ~Animal() {};
};

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

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

class Doberman : public Dog {
public:
    void MakeTypicalNoise() override {
        cout << "Woo, woo, woow! ... ";
        Dog::MakeTypicalNoise();
    }
};

int main() {
    Animal* apObject[] = { new Cat(), new Dog(), new Doberman() };

    const int cnAnimals = sizeof(apObject) / sizeof(Animal*);
    for (int i = 0; i < cnAnimals; i++) {
        apObject[i]->MakeTypicalNoise();
    }
    for (int i = 0; i < cnAnimals; i++) {
        delete apObject[i];
    }
    return 0;
}
CPP

虚析构函数的使用

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal {
public:
    virtual ~Animal() {
        cout << "Deleting an Animal" << endl;
    }
};

class Cat : public Animal {
public:
    ~Cat() {
        cout << "Deleting an Animal name Cat" << endl;
    }
};

int main() {
    Animal* a = new Cat();
    delete a;
    return 0;
}
CPP

最佳实践

设计抽象基类

将基类设计为抽象基类，包含纯虚函数，这样可以强制派生类实现这些函数，确保派生类具有必要的功能。

class Shape {
public:
    virtual double area() const = 0; // 纯虚函数
    virtual ~Shape() {}
};

class Circle : public Shape {
private:
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    double area() const override {
        return 3.14 * radius * radius;
    }
};
CPP

使用override关键字

在派生类中重写虚函数时，使用override关键字，这样可以确保重写的函数与基类的虚函数签名一致，避免因拼写错误等原因导致的问题。

合理使用虚析构函数

当基类指针指向派生类对象时，为了确保在删除基类指针时能够正确调用派生类的析构函数，避免内存泄漏，应将基类的析构函数声明为虚析构函数。

常见问题

虚函数的效率问题

虚函数的调用涉及到运行时的动态绑定，因此比普通函数调用稍微慢一些。但是，在现代编译器和硬件的支持下，这种性能损失通常是可以接受的。

忘记使用virtual关键字

如果在基类中忘记将函数声明为虚函数，那么通过基类指针调用该函数时，将不会发生动态绑定，而是调用基类的函数。

纯虚函数的使用