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
底线是，虚拟功能使生活更轻松。让我们使用M Perry的一些想法，并描述如果我们没有虚拟函数而只能使用成员函数指针会发生什么。在没有虚函数的正常估计中，我们有：
class base {
public:
void helloWorld() { std::cout << "Hello World!"; }
};
class derived: public base {
public:
void helloWorld() { std::cout << "Greetings World!"; }
};
int main () {
base hwOne;
derived hwTwo = new derived();
base->helloWorld(); //prints "Hello World!"
derived->helloWorld(); //prints "Hello World!"
好的，这就是我们所知道的。现在让我们尝试使用成员函数指针：
#include <iostream>
using namespace std;
class base {
public:
void helloWorld() { std::cout << "Hello World!"; }
};
class derived : public base {
public:
void displayHWDerived(void(derived::*hwbase)()) { (this->*hwbase)(); }
void(derived::*hwBase)();
void helloWorld() { std::cout << "Greetings World!"; }
};
int main()
{
base* b = new base(); //Create base object
b->helloWorld(); // Hello World!
void(derived::*hwBase)() = &derived::helloWorld; //create derived member
function pointer to base function
derived* d = new derived(); //Create derived object.
d->displayHWDerived(hwBase); //Greetings World!
char ch;
cin >> ch;
}
虽然我们可以用成员函数指针做一些事情，但它们不如虚拟函数灵活。在类中使用成员函数指针是很棘手的；至少在我的实践中，成员函数指针几乎总是必须在主函数中或从成员函数中调用，如上面的示例所示。
另一方面，虚拟函数虽然可能有一些函数指针开销，但确实大大简化了事情。
EDIT：还有一种方法与eddietree类似：c++虚拟函数与成员函数指针（性能比较）。
其他回答
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
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
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。
我想添加虚拟函数的另一种用法，尽管它使用了与上述答案相同的概念，但我认为它值得一提。
虚拟析构函数
考虑下面的这个程序，不要将基类析构函数声明为virtual；Cat的内存可能无法清理。
class Animal {
public:
~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;
}
输出：
删除动物
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;
}
输出：
删除动物名称猫删除动物
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。
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