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。

其他回答

你熟悉函数指针吗?虚拟函数也是一个类似的想法,只是您可以轻松地将数据绑定到虚拟函数(作为类成员)。将数据绑定到函数指针并不容易。对我来说,这是主要的概念区别。这里的许多其他答案只是说“因为…多态性!”

virtual关键字强制编译器选择对象类中定义的方法实现,而不是指针类中的方法实现。

Shape *shape = new Triangle(); 
cout << shape->getName();

在上面的示例中,默认情况下将调用Shape::getName,除非getName()在基类Shape中定义为virtual。这迫使编译器在Triangle类而不是Shape类中查找getName()实现。

虚拟表是编译器跟踪子类的各种虚拟方法实现的机制。这也被称为动态调度,并且存在一些与之相关的开销。

最后,为什么在C++中甚至需要虚拟,为什么不将其作为Java中的默认行为?

C++基于“零开销”和“按需付费”的原则。因此,除非您需要,否则它不会尝试为您执行动态调度。为界面提供更多控制。通过使函数非虚拟化,接口/抽象类可以控制其所有实现中的行为。

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;
}

为什么我们需要虚拟功能?

虚拟函数避免了不必要的类型转换问题,我们中的一些人会争论,当我们可以使用派生类指针来调用派生类中特定的函数时,为什么需要虚拟函数!答案是,它否定了在大型系统开发中继承的全部思想,因为在大型系统中,非常需要使用单指针基类对象。

让我们比较以下两个简单的程序,以了解虚拟函数的重要性:

无虚拟功能的程序:

#include <iostream>
using namespace std;

class father
{
    public: void get_age() {cout << "Fathers age is 50 years" << endl;}
};

class son: public father
{
    public : void get_age() { cout << "son`s age is 26 years" << endl;}
};

int main(){
    father *p_father = new father;
    son *p_son = new son;

    p_father->get_age();
    p_father = p_son;
    p_father->get_age();
    p_son->get_age();
    return 0;
}

输出:

Fathers age is 50 years
Fathers age is 50 years
son`s age is 26 years

具有虚拟功能的程序:

#include <iostream>
using namespace std;

class father
{
    public:
        virtual void get_age() {cout << "Fathers age is 50 years" << endl;}
};

class son: public father
{
    public : void get_age() { cout << "son`s age is 26 years" << endl;}
};

int main(){
    father *p_father = new father;
    son *p_son = new son;

    p_father->get_age();
    p_father = p_son;
    p_father->get_age();
    p_son->get_age();
    return 0;
}

输出:

Fathers age is 50 years
son`s age is 26 years
son`s age is 26 years

通过仔细分析这两个输出,可以理解虚拟函数的重要性。

以下是我如何理解虚拟函数的含义,以及为什么需要它们:

假设您有以下两个类:

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

class Cat : public Animal
{
    public:
        void eat() { std::cout << "I'm eating a rat."; }
};

在主功能中:

Animal *animal = new Animal;
Cat *cat = new Cat;

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

到目前为止还不错,对吧?动物吃普通食物,猫吃老鼠,都没有虚拟食物。

现在让我们稍微改变一下,以便通过一个中间函数调用eat()(本例中的一个普通函数):

// This can go at the top of the main.cpp file
void func(Animal *xyz) { xyz->eat(); }

现在我们的主要功能是:

Animal *animal = new Animal;
Cat *cat = new Cat;

func(animal); // Outputs: "I'm eating generic food."
func(cat);    // Outputs: "I'm eating generic food."

哦哦。。。我们把一只猫传给func(),但它不会吃老鼠。是否应该重载func()以使其使用Cat*?如果你必须从Animal派生出更多的动物,它们都需要自己的func()。

解决方案是使Animal类中的eat()成为一个虚拟函数:

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

class Cat : public Animal
{
    public:
        void eat() { std::cout << "I'm eating a rat."; }
};

主要内容:

func(animal); // Outputs: "I'm eating generic food."
func(cat);    // Outputs: "I'm eating a rat."

完成。