为什么我们需要C++中的虚拟方法？

快速回答：

它为我们提供了面向对象编程所需的“要素”之一。

在Bjarne Stroustrup C++编程：原理与实践中，（14.3）：

虚拟函数提供了在基类中定义函数的能力，并在用户调用基类函数时在派生类中具有相同名称和类型的函数。这通常称为运行时多态性、动态调度或运行时调度，因为调用的函数是在运行时根据所使用的对象类型确定的。

如果您需要虚拟函数调用2，这是最快、更有效的实现。

为了处理虚拟调用，需要一条或多条与派生对象3相关的数据。通常的做法是添加函数表的地址。该表通常称为虚拟表或虚拟函数表，其地址通常称为虚指针。每个虚拟函数在虚拟表中都有一个槽。根据调用者的对象（派生）类型，虚拟函数依次调用相应的重写。

1.使用继承、运行时多态性和封装是面向对象编程的最常见定义。

2.您不能在运行时使用其他语言功能在备选方案中进行选择，从而使功能更快或使用更少的内存。Bjarne Stroustrup C++编程：原理与实践。(14.3.1).

3.当我们调用包含虚拟函数的基类时，可以判断哪个函数真正被调用。

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。

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。

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。

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