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。

如果基类是base，派生类是Der，则可以有一个base*p指针，它实际上指向Der的实例。当您调用p->foo（）；时；，如果foo不是虚拟的，则执行Base版本的foo，忽略p实际上指向Der的事实。如果foo是虚拟的，则p->foo（）执行foo的“最叶”覆盖，充分考虑指向项的实际类。因此，虚拟和非虚拟之间的区别实际上非常关键：前者允许运行时多态性，这是OO编程的核心概念，而后者则不允许。

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

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。

我认为您所指的是这样一个事实：一旦方法被声明为virtual，您就不需要在重写中使用“virtual”关键字。

class Base { virtual void foo(); };

class Derived : Base 
{ 
  void foo(); // this is overriding Base::foo
};

如果在Base的foo声明中不使用“virtual”，那么Derived的foo将只是隐藏它。