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

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。

其他回答

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。

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。

如果没有“虚拟”,您将获得“早期绑定”。在编译时,根据您调用的指针的类型来决定使用该方法的哪个实现。

使用“虚拟”,您将获得“后期绑定”。使用方法的哪种实现在运行时根据指向对象的类型来决定,即它最初的构造形式。这不一定是根据指向该对象的指针的类型来考虑的。

class Base
{
  public:
            void Method1 ()  {  std::cout << "Base::Method1" << std::endl;  }
    virtual void Method2 ()  {  std::cout << "Base::Method2" << std::endl;  }
};

class Derived : public Base
{
  public:
    void Method1 ()  {  std::cout << "Derived::Method1" << std::endl;  }
    void Method2 ()  {  std::cout << "Derived::Method2" << std::endl;  }
};

Base* basePtr = new Derived ();
  //  Note - constructed as Derived, but pointer stored as Base*

basePtr->Method1 ();  //  Prints "Base::Method1"
basePtr->Method2 ();  //  Prints "Derived::Method2"

编辑-请参阅此问题。

此外,本教程还介绍了C++中的早期和后期绑定。

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。

我以对话的形式给出了答案,以便更好地阅读:


为什么我们需要虚拟功能?

因为多态性。

什么是多态性?

基指针也可以指向派生类型对象。

多态性的定义是如何导致对虚拟函数的需求的?

嗯,通过早期绑定。

什么是早期绑定?

C++中的早期绑定(编译时绑定)意味着在执行程序之前,函数调用是固定的。

所以

因此,如果您使用基类型作为函数的参数,编译器将只识别基接口,如果您用派生类的任何参数调用该函数,它将被截断,这不是您想要的。

如果这不是我们想要的,为什么允许这样做?

因为我们需要多态性!

那么多态性的好处是什么?

您可以使用基类型指针作为单个函数的参数,然后在程序运行时,您可以使用该基指针的解引用来访问每个派生类型接口(例如,它们的成员函数),而不会出现任何问题。

我仍然不知道虚拟函数有什么好处。。。!这是我的第一个问题!

嗯,这是因为你问得太快了!

为什么我们需要虚拟功能?

假设您使用基指针调用了一个函数,该函数具有来自其派生类之一的对象地址。正如我们上面所讨论的,在运行时,这个指针会被取消引用,但是,到目前为止,我们希望“从我们的派生类”执行一个方法(==成员函数)!然而,基类中已经定义了相同的方法(具有相同标头的方法),那么为什么您的程序要费心选择另一个方法呢?换言之,我的意思是,你怎么能把这种情况与我们以前通常看到的情况区分开来?

简单的答案是“基类中的一个虚拟成员函数”,稍长一点的答案是,“在这一步,如果程序在基类中看到一个虚拟函数,它知道(意识到)您正在尝试使用多态性”,因此去到派生类(使用v-table,一种后期绑定形式),发现另一个方法具有相同的头,但预期实现不同。

为什么实施不同?

你这个笨蛋!去读一本好书吧!

好吧,等等,等等,当他/她可以简单地使用派生类型指针时,为什么还要麻烦使用基指针呢?你是法官,所有这些头疼值得吗?看看这两个片段:

//1:

Parent* p1 = &boy;
p1 -> task();
Parent* p2 = &girl;
p2 -> task();

//2:

Boy* p1 = &boy;
p1 -> task();
Girl* p2 = &girl;
p2 -> task();

好吧,虽然我认为1还是比2好,但你也可以这样写1:

//1:

Parent* p1 = &boy;
p1 -> task();
p1 = &girl;
p1 -> task();

此外,你应该意识到,这只是我迄今为止向你解释的所有事情的一种人为使用。相反,假设例如在程序中有一个函数分别使用每个派生类的方法(getMonthBenefit()):

double totalMonthBenefit = 0;    
std::vector<CentralShop*> mainShop = { &shop1, &shop2, &shop3, &shop4, &shop5, &shop6};
for(CentralShop* x : mainShop){
     totalMonthBenefit += x -> getMonthBenefit();
}

现在,试着重新写一遍,不要让人头疼!

double totalMonthBenefit=0;
Shop1* branch1 = &shop1;
Shop2* branch2 = &shop2;
Shop3* branch3 = &shop3;
Shop4* branch4 = &shop4;
Shop5* branch5 = &shop5;
Shop6* branch6 = &shop6;
totalMonthBenefit += branch1 -> getMonthBenefit();
totalMonthBenefit += branch2 -> getMonthBenefit();
totalMonthBenefit += branch3 -> getMonthBenefit();
totalMonthBenefit += branch4 -> getMonthBenefit();
totalMonthBenefit += branch5 -> getMonthBenefit();
totalMonthBenefit += branch6 -> getMonthBenefit();

事实上,这可能也是一个虚构的例子!