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。

对虚拟函数的解释存在的问题是，它们没有解释如何在实践中使用它，以及它如何有助于维护。我创建了一个虚拟函数教程，人们已经发现它非常有用。此外，它基于战场前提，这让它更令人兴奋：https://nrecursions.blogspot.com/2015/06/so-why-do-we-need-virtual-functions.html.

考虑这个战场应用：

#include "iostream"

//This class is created by Gun1's company
class Gun1 {public: void fire() {std::cout<<"gun1 firing now\n";}};
//This class is created by Gun2's company
class Gun2 {public: void shoot() {std::cout<<"gun2 shooting now\n";}};

//We create an abstract class to interface with WeaponController
class WeaponsInterface {
 public:
 virtual void shootTarget() = 0;
};

//A wrapper class to encapsulate Gun1's shooting function
class WeaponGun1 : public WeaponsInterface {
 private:
 Gun1* g;

 public:
 WeaponGun1(): g(new Gun1()) {}
 ~WeaponGun1() { delete g;}
 virtual void shootTarget() { g->fire(); }
};

//A wrapper class to encapsulate Gun2's shooting function
class WeaponGun2 : public WeaponsInterface {
 private:
 Gun2* g;

 public:
 WeaponGun2(): g(new Gun2()) {}
 ~WeaponGun2() { delete g;}
 virtual void shootTarget() { g->shoot(); }
};

class WeaponController {
 private:
 WeaponsInterface* w;
 WeaponGun1* g1;
 WeaponGun2* g2;
 public:
 WeaponController() {g1 = new WeaponGun1(); g2 = new WeaponGun2(); w = g1;}
 ~WeaponController() {delete g1; delete g2;}
 void shootTarget() { w->shootTarget();}
 void changeGunTo(int gunNumber) {//Virtual functions makes it easy to change guns dynamically
   switch(gunNumber) {
     case 1: w = g1; break;
     case 2: w = g2; break;
   }
 }
};


class BattlefieldSoftware {
 private:
 WeaponController* wc;
 public:
 BattlefieldSoftware() : wc(new WeaponController()) {}
 ~BattlefieldSoftware() { delete wc; }

 void shootTarget() { wc->shootTarget(); }
 void changeGunTo(int gunNumber) {wc->changeGunTo(gunNumber); }
};


int main() {
 BattlefieldSoftware* bf = new BattlefieldSoftware();
 bf->shootTarget();
 for(int i = 2; i > 0; i--) {
     bf->changeGunTo(i);
     bf->shootTarget();
 }
 delete bf;
}

我鼓励您首先阅读博客上的文章，了解包装器类创建的原因。

如图所示，有各种火炮/导弹可以连接到战场软件，并且可以向这些武器发出命令，以进行射击或重新校准等。这里的挑战是能够在不必更改蓝色战场软件的情况下更改/更换火炮/导弹，并且能够在运行时切换武器，而无需更改代码并重新编译。

上面的代码显示了问题是如何解决的，以及具有精心设计的包装类的虚拟函数如何封装函数并帮助在运行时分配派生类指针。WeaponGun1类的创建确保了你将Gun1的处理完全分离到类中。无论你对Gun1做了什么改变，你只需要在WeaponGun1中做出改变，并有信心其他职业不会受到影响。

由于WeaponsInterface类，您现在可以将任何派生类分配给基类指针WeaponsIterface，并且因为它的函数是虚拟的，所以当您调用WeaponsIInterface的shootTarget时，派生类shootTarget将被调用。

最好的部分是，您可以在运行时更改枪（w=g1和w=g2）。这是虚拟函数的主要优势，这也是我们需要虚拟函数的原因。

因此，在更换枪支时，不再需要在不同的地方注释代码。现在，这是一个简单而干净的过程，添加更多的枪类也更容易，因为我们只需要创建一个新的WeaponGun3或WeaponGun 4类，我们可以确信它不会破坏BattlefieldSoftware的代码或WeaponGun1/WeaponGun2的代码。

当基类中有函数时，可以在派生类中重新定义或重写它。

重新定义方法：派生类中给出了基类方法的新实现。不便于动态绑定。

重写方法：在派生类中重新定义基类的虚拟方法。虚拟方法有助于动态绑定。

所以当你说：

但在书的早些时候，当我了解基本遗传时能够重写派生类中的基方法，而不使用“虚拟”。

因为基类中的方法不是虚拟的，所以您不是在重写它，而是在重新定义它

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。

您必须区分重写和重载。如果没有virtual关键字，则只能重载基类的方法。这只意味着隐藏。假设您有一个基类base和一个派生类Specialized，它们都实现了void foo（）。现在有一个指向Base的指针指向Specialized的实例。当您对其调用foo（）时，您可以观察到virtual的不同之处：如果该方法是虚拟的，则将使用Specialized的实现，如果缺少，则将选择Base的版本。最好不要重载基类中的方法。使方法非虚拟化是作者告诉你它在子类中的扩展不是有意的。

关于效率，虚拟函数的效率略低于早期绑定函数。

“这种虚拟调用机制的效率几乎可以与“正常函数调用”机制一样高（25%以内）。它的空间开销是一个具有虚拟函数的类的每个对象中的一个指针加上每个此类类的一个vtbl”[Bjarne Stroustrup的C++教程]