为什么我们需要C++中的虚拟函数？

我正在学习C++，我刚刚开始学习虚拟函数。

从我（在书中和网上）读到的内容来看，虚拟函数是基类中的函数，可以在派生类中重写。

但在本书的早些时候，当我学习基本继承时，我能够在派生类中重写基函数，而不使用虚函数。

那么我在这里错过了什么？我知道虚拟函数还有很多，它似乎很重要，所以我想清楚它到底是什么。我只是在网上找不到一个直截了当的答案。

当前回答

您需要虚拟方法来实现安全的下变频、简单和简洁。

这就是虚拟方法所做的：它们安全地向下转换，使用明显简单而简洁的代码，避免了在更复杂和冗长的代码中进行不安全的手动转换。

Non-virtual method ⇒ static binding ========================================

以下代码故意“不正确”。它没有将value方法声明为virtual，因此会产生意外的“错误”结果，即0:

#include <iostream>
using namespace std;

class Expression
{
public:
    auto value() const
        -> double
    { return 0.0; }         // This should never be invoked, really.
};

class Number
    : public Expression
{
private:
    double  number_;
    
public:
    auto value() const
        -> double
    { return number_; }     // This is OK.

    Number( double const number )
        : Expression()
        , number_( number )
    {}
};

class Sum
    : public Expression
{
private:
    Expression const*   a_;
    Expression const*   b_;
    
public:
    auto value() const
        -> double
    { return a_->value() + b_->value(); }       // Uhm, bad! Very bad!

    Sum( Expression const* const a, Expression const* const b )
        : Expression()
        , a_( a )
        , b_( b )
    {}
};

auto main() -> int
{
    Number const    a( 3.14 );
    Number const    b( 2.72 );
    Number const    c( 1.0 );

    Sum const       sum_ab( &a, &b );
    Sum const       sum( &sum_ab, &c );
    
    cout << sum.value() << endl;
}

在注释为“坏”的行中，调用了Expression:：value方法，因为静态已知类型（编译时已知的类型）是Expression，而value方法不是虚拟的。

Virtual method ⇒ dynamic binding. ======================================

在静态已知类型表达式中将值声明为virtual可确保每次调用都会检查这是什么实际类型的对象，并调用该动态类型的值的相关实现：

#include <iostream>
using namespace std;

class Expression
{
public:
    virtual
    auto value() const -> double
        = 0;
};

class Number
    : public Expression
{
private:
    double  number_;
    
public:
    auto value() const -> double
        override
    { return number_; }

    Number( double const number )
        : Expression()
        , number_( number )
    {}
};

class Sum
    : public Expression
{
private:
    Expression const*   a_;
    Expression const*   b_;
    
public:
    auto value() const -> double
        override
    { return a_->value() + b_->value(); }    // Dynamic binding, OK!

    Sum( Expression const* const a, Expression const* const b )
        : Expression()
        , a_( a )
        , b_( b )
    {}
};

auto main() -> int
{
    Number const    a( 3.14 );
    Number const    b( 2.72 );
    Number const    c( 1.0 );

    Sum const       sum_ab( &a, &b );
    Sum const       sum( &sum_ab, &c );
    
    cout << sum.value() << endl;
}

这里的输出应该是6.86，因为虚拟方法是虚拟调用的。这也称为调用的动态绑定。执行一点检查，找到对象的实际动态类型，并调用该动态类型的相关方法实现。

相关的实现是最特定（最派生）类中的实现。

注意，这里的派生类中的方法实现没有标记为virtual，而是标记为override。它们可以被标记为虚拟，但它们是自动虚拟的。override关键字确保如果某个基类中没有这样的虚拟方法，那么您将得到一个错误（这是可取的）。

The ugliness of doing this without virtual methods ==================================================

如果没有虚拟绑定，则必须实现一些自己动手版本的动态绑定。这通常涉及不安全的手动降级、复杂性和冗长。

对于单个函数的情况，如这里所示，将函数指针存储在对象中并通过该函数指针进行调用就足够了，但即使如此，它也会涉及一些不安全的下变频、复杂性和冗长性，即：

#include <iostream>
using namespace std;

class Expression
{
protected:
    typedef auto Value_func( Expression const* ) -> double;

    Value_func* value_func_;

public:
    auto value() const
        -> double
    { return value_func_( this ); }
    
    Expression(): value_func_( nullptr ) {}     // Like a pure virtual.
};

class Number
    : public Expression
{
private:
    double  number_;
    
    static
    auto specific_value_func( Expression const* expr )
        -> double
    { return static_cast<Number const*>( expr )->number_; }

public:
    Number( double const number )
        : Expression()
        , number_( number )
    { value_func_ = &Number::specific_value_func; }
};

class Sum
    : public Expression
{
private:
    Expression const*   a_;
    Expression const*   b_;
    
    static
    auto specific_value_func( Expression const* expr )
        -> double
    {
        auto const p_self  = static_cast<Sum const*>( expr );
        return p_self->a_->value() + p_self->b_->value();
    }

public:
    Sum( Expression const* const a, Expression const* const b )
        : Expression()
        , a_( a )
        , b_( b )
    { value_func_ = &Sum::specific_value_func; }
};


auto main() -> int
{
    Number const    a( 3.14 );
    Number const    b( 2.72 );
    Number const    c( 1.0 );

    Sum const       sum_ab( &a, &b );
    Sum const       sum( &sum_ab, &c );
    
    cout << sum.value() << endl;
}

看待这一点的一种积极方式是，如果您遇到了如上所述的不安全的下变频、复杂性和冗长，那么通常一个或多个虚拟方法确实会有帮助。

2014-11-24 07:24:45

其他回答

下面是前两个答案的C++代码的合并版本。

#include        <iostream>
#include        <string>

using   namespace       std;

class   Animal
{
        public:
#ifdef  VIRTUAL
                virtual string  says()  {       return  "??";   }
#else
                string  says()  {       return  "??";   }
#endif
};

class   Dog:    public Animal
{
        public:
                string  says()  {       return  "woof"; }
};

string  func(Animal *a)
{
        return  a->says();
}

int     main()
{
        Animal  *a = new Animal();
        Dog     *d = new Dog();
        Animal  *ad = d;

        cout << "Animal a says\t\t" << a->says() << endl;
        cout << "Dog d says\t\t" << d->says() << endl;
        cout << "Animal dog ad says\t" << ad->says() << endl;

        cout << "func(a) :\t\t" <<      func(a) <<      endl;
        cout << "func(d) :\t\t" <<      func(d) <<      endl;
        cout << "func(ad):\t\t" <<      func(ad)<<      endl;
}

两种不同的结果是：

如果没有#define virtual，它将在编译时绑定。Animal*ad和func（Animal*）都指向Animal的says（）方法。

$ g++ virtual.cpp -o virtual
$ ./virtual 
Animal a says       ??
Dog d says      woof
Animal dog ad says  ??
func(a) :       ??
func(d) :       ??
func(ad):       ??

使用#define virtual，它在运行时绑定。Dog*d、Animal*ad和func（Animal*）指向/引用Dog的says（）方法，因为Dog是它们的对象类型。除非未定义[Dog's says（）“woof”]方法，否则它将是在类树中首先搜索的方法，即派生类可能会覆盖其基类的方法[Eanimal's says）]。

$ g++ virtual.cpp -D VIRTUAL -o virtual
$ ./virtual 
Animal a says       ??
Dog d says      woof
Animal dog ad says  woof
func(a) :       ??
func(d) :       woof
func(ad):       woof

有趣的是，Python中的所有类属性（数据和方法）都是虚拟的。由于所有对象都是在运行时动态创建的，因此不需要类型声明或关键字virtual。下面是Python的代码版本：

class   Animal:
        def     says(self):
                return  "??"

class   Dog(Animal):
        def     says(self):
                return  "woof"

def     func(a):
        return  a.says()

if      __name__ == "__main__":

        a = Animal()
        d = Dog()
        ad = d  #       dynamic typing by assignment

        print("Animal a says\t\t{}".format(a.says()))
        print("Dog d says\t\t{}".format(d.says()))
        print("Animal dog ad says\t{}".format(ad.says()))

        print("func(a) :\t\t{}".format(func(a)))
        print("func(d) :\t\t{}".format(func(d)))
        print("func(ad):\t\t{}".format(func(ad)))

输出为：

Animal a says       ??
Dog d says      woof
Animal dog ad says  woof
func(a) :       ??
func(d) :       woof
func(ad):       woof

这与C++的虚拟定义相同。注意，d和ad是两个不同的指针变量，引用/指向同一个Dog实例。表达式（ad is d）返回True，其值与0xb79f72cc>处的<main.Dog对象相同。

2018-09-05 03:56:42

关键字virtual告诉编译器它不应该执行早期绑定。相反，它应该自动安装执行后期绑定所需的所有机制。为了实现这一点，典型的编译器1为每个包含虚拟函数的类创建一个表（称为VTABLE）。编译器将该特定类的虚拟函数的地址放在VTABLE中。在每个具有虚拟函数的类中，它都会秘密地放置一个指针，称为vpointer（缩写为VPTR），该指针指向该对象的VTABLE。当您通过基类指针进行虚拟函数调用时，编译器会悄悄地插入代码以获取VPTR并在VTABLE中查找函数地址，从而调用正确的函数并导致延迟绑定。

此链接中的详细信息http://cplusplusinterviews.blogspot.sg/2015/04/virtual-mechanism.html

2015-04-23 12:49:31

OOP答案：亚型多态性

在C++中，需要虚拟方法来实现多态性，如果应用维基百科中的定义，则更准确地说是子类型或子类型多态性。

维基百科，分类，2019-01-09：在编程语言理论中，子类型化（也称为子类型多态性或包含多态性）是类型多态性的一种形式，其中子类型是通过某种可替代性概念与另一个数据类型（父类型）相关的数据类型，这意味着程序元素（通常是子例程或函数），编写为对父类型的元素进行操作也可以对子类型的元素执行操作。

注意：子类型表示基类，子类型表示继承类。

关于亚型多态性的进一步阅读

https://en.wikipedia.org/wiki/Subtypinghttps://en.wikipedia.org/wiki/Polymorphism_（computer_science）#子类型

技术答案：动态调度

如果您有一个指向基类的指针，那么方法的调用（声明为虚拟）将被分派到所创建对象的实际类的方法。这就是亚型多态性是如何在C++中实现的。

进一步阅读C++中的多态性与动态调度

http://www.cplusplus.com/doc/tutorial/polymorphism/https://en.cppreference.com/w/cpp/language/virtual

实现答案：创建vtable条目

对于方法上的每个修饰符“virtual”，C++编译器通常会在声明方法的类的vtable中创建一个条目。这就是常见的C++编译器实现动态调度的方式。

进一步阅读vtables

https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_method_table

示例代码

#include <iostream>

using namespace std;

class Animal {
public:
    virtual void MakeTypicalNoise() = 0; // no implementation needed, for abstract classes
    virtual ~Animal(){};
};

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

class Dog : public Animal {
public:
    virtual void MakeTypicalNoise() { // needs to be virtual, if subtype polymorphism is also needed for Dogs
        cout << "Woof!" << endl;
    }
};

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

示例代码输出

Meow!
Woof!
Woo, woo, woow! ... Woof!

代码示例的UML类图

2018-12-15 17:16:20

下面是一个完整的示例，说明了为什么使用虚拟方法。

#include <iostream>

using namespace std;

class Basic
{
    public:
    virtual void Test1()
    {
        cout << "Test1 from Basic." << endl;
    }
    virtual ~Basic(){};
};
class VariantA : public Basic
{
    public:
    void Test1()
    {
        cout << "Test1 from VariantA." << endl;
    }
};
class VariantB : public Basic
{
    public:
    void Test1()
    {
        cout << "Test1 from VariantB." << endl;
    }
};

int main()
{
    Basic *object;
    VariantA *vobjectA = new VariantA();
    VariantB *vobjectB = new VariantB();

    object=(Basic *) vobjectA;
    object->Test1();

    object=(Basic *) vobjectB;
    object->Test1();

    delete vobjectA;
    delete vobjectB;
    return 0;
}

2018-02-02 10:29:55