为什么要使用虚函数？

Question

可能是重复问题：
有人能解释C++虚函数吗？

我有一个关于 C++ 虚函数的问题。

为什么以及何时使用虚函数？有人能给我一个虚函数的实时实现或用途吗？

- haris

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我专门为此创建了一篇博客文章，因为当一个孩子问我“为什么需要虚函数”时，我发现很难解释。http://nrecursions.blogspot.in/2015/06/so-why-do-we-need-virtual-functions.html - Nav

Answer 1

当您想要覆盖派生类的某个行为（读取方法）而不是基类实现的行为，并且您想通过指向基类的指针在运行时执行此操作时，您使用虚函数。经典示例是当您有一个名为Shape的基类和从它派生的具体形状（类）时。每个具体类都会重写（实现虚方法）名为Draw()的方法。

类层次结构如下：

以下代码片段展示了示例的用法；它创建了一个Shape类指针的数组，其中每个指针都指向一个不同的派生类对象。在运行时，调用Draw()方法会导致调用被该派生类重写的方法，并绘制（或呈现）特定的Shape。

Shape *basep[] = { &line_obj, &tri_obj,
                   &rect_obj, &cir_obj};
for (i = 0; i < NO_PICTURES; i++)
    basep[i] -> Draw ();

上述程序只是使用指向基类的指针来存储派生类对象的地址。这提供了一种松散耦合，因为如果随时添加一个新的具体派生类shape，程序不必发生巨大变化。原因是实际上仅有很少的代码段使用（依赖于）具体的Shape类型。

上述是著名的SOLID设计原则中开闭原则的一个很好的例子。

- Alok Save

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如果我们不使用virtual，而是在子类中重新定义它们，比如Line和Triangle，那么会有什么不同？ - Mathew Kurian

如果基类中的函数不是虚函数，你将无法通过基类指针访问派生类的版本。 - radensb

抱歉，我还有点困惑。是否可以这样说，虚函数是用于在运行时不知道需要哪个版本的函数，但在那之前你也需要一个基类的实例化？因为似乎我可以不使用虚函数，在运行时创建子类并实例化正确的类。所以，“在此之前您还需要一个基类的实例化”是至关重要的，对吗？即：通过基指针调用派生函数。 - krb686

Answer 2

当您需要以相同的方式处理不同的对象时，您可以使用虚函数。这被称为多态性。让我们想象您有一些基类 - 类似于经典的形状：

    class Shape
    {
        public:
           virtual void draw() = 0;
           virtual ~Shape() {}
    };

    class Rectange: public Shape
    {
        public:
            void draw() { // draw rectangle here } 
    };


    class Circle: public Shape
    {
        public:
           void draw() { // draw circle here }
    };

现在你可以有不同形状的向量：

    vector<Shape*> shapes;
    shapes.push_back(new Rectangle());
    shapes.push_back(new Circle());

你可以像这样绘制所有形状：

    for(vector<Shape*>::iterator i = shapes.begin(); i != shapes.end(); i++)
    {
          (*i)->draw();
    }

以这种方式，您使用一个虚方法 - draw()来绘制不同的形状。根据指针背后对象的类型的运行时信息，选择正确版本的方法。

请注意，在使用虚函数时，您可以将它们声明为纯虚函数（例如在Shape类中，只需在方法原型后面放置“= 0”）。在这种情况下，您将无法创建具有纯虚函数的对象实例，并且它将被称为抽象类。

同时请注意析构函数前的“virtual”。如果您计划通过指向它们的基类的指针来处理对象，则应该将析构函数声明为虚函数，因此当您为基类指针调用“delete”时，所有析构函数链都将被调用，并且不会发生内存泄漏。

- Volodymyr Rudyi

Answer 3

想象一下动物类，它的衍生类有猫、狗和牛。动物类有一个

virtual void SaySomething()
{
    cout << "Something";
}

函数。

Animal *a;
a = new Dog();
a->SaySomething();

不要打印“Something”，狗应该说“Bark”，猫应该说“Meow”。在这个例子中，a是一只狗，但有时您可能会有一只动物指针，而不知道它是哪种动物。您不想知道它是什么动物，您只想让动物说些什么。因此，您只需调用虚函数，猫将说“meow”，狗将说“bark”。

当然，SaySomething函数应该是纯虚函数，以避免可能出现的错误。

- holgac

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谢谢，您的回答令人满意。 - haris

我不太明白你最后一句话的意思：“SaySomething函数应该是纯虚函数以避免可能的错误。” 你能举个例子吗？ - user454083

抱歉回复晚了。 考虑这样一个情况，一个开发者创建了一个新类继承我们的动物类（比如说“狐狸”），但忘记覆盖SaySomething方法。如果您使用我提供的虚方法，Fox实例将会说“Something”，这是不正确的。如果我们将SaySomething声明为纯虚方法，我们就不能实例化“狐狸”，包含new Fox(...)的代码将会引发错误。这样，创建Fox类的开发者将在编译时被通知他/她的错误。编译时错误很好，因为它们不浪费时间 :) - holgac

但在不支持纯虚方法的语言中，“必须实现”的方法应该引发异常。Java开发人员通常这样做。 然而，这里的主要问题是，狐狸在说什么 :P - holgac

Answer 4

你可以使用虚函数来实现“多态”，特别是当你有一个对象时，不知道实际的底层类型是什么，但知道你想要对它执行什么操作，并且这个实现（如何执行）取决于你实际拥有的类型。

基本上，这通常被称为“Liskov替换原则”，以Barbara Liskov的名字命名，她在1983年左右谈论了这个问题。

当你需要使用动态运行时决策时，在调用函数的代码点上，你不知道现在或将来可能通过它传递的类型，这是一个很好的模型。

但这并不是唯一的方法。有各种各样的“回调”可以接受一块数据“blob”，你可能会有依赖于数据中头块的回调表，例如消息处理器。对于这个，没有必要使用虚函数，事实上，你可能会使用类似于v-table的实现方式，只有一个条目（例如，一个只有一个虚函数的类）。

- CashCow