在C++中，虚函数（Virtual Function）是实现运行时多态（Runtime Polymorphism）的核心机制。它允许基类的指针或引用调用派生类中的重写函数，具体调用哪个版本的函数在运行时根据对象的实际类型决定，而不是编译时的静态类型。

虚函数的核心概念

1. 声明方式
   在基类中使用 virtual 关键字声明的函数即为虚函数。例如：

   class Shape {
   public:
       virtual double area() const { return 0.0; } // 虚函数
   };
   

2. 重写（Override）
   派生类可以提供虚函数的具体实现，称为“重写”。重写时函数签名（名称、参数、常量性）必须与基类一致：

   class Circle : public Shape {
   public:
       double area() const override { return 3.14 * radius * radius; } // 重写基类虚函数
   private:
       double radius;
   };
   

3. 动态绑定（Dynamic Binding）
   通过基类指针或引用调用虚函数时，实际执行的是对象实际类型的函数版本，而非指针/引用的静态类型：

   Shape* shape = new Circle(5.0);
   shape->area(); // 调用 Circle::area()，而非 Shape::area()
   

虚函数的关键特性

1. 运行时多态
   虚函数实现了“一个接口，多种实现”的设计理念。例如，不同形状（圆形、矩形）可以通过基类指针调用各自的 area() 函数。

2. 虚函数表（VTable）

   • 每个包含虚函数的类都有一个虚函数表，存储该类的虚函数地址。
   • 每个对象包含一个指向虚函数表的指针（vptr），用于在运行时查找函数地址。

3. 纯虚函数与抽象类

   • 纯虚函数用 = 0 声明，没有具体实现：

     virtual double area() const = 0; // 纯虚函数
     

   • 包含纯虚函数的类是抽象类，无法实例化，只能作为基类使用。

为什么需要虚函数？

示例场景：
假设你有一个图形库，需要计算不同形状的面积。通过虚函数，可以统一调用基类的 area() 函数，实际执行时根据对象类型自动选择正确的实现：

#include <iostream>
using namespace std;

class Shape {
public:
    virtual double area() const { return 0.0; } // 虚函数
};

class Circle : public Shape {
private:
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    double area() const override { return 3.14 * radius * radius; }
};

class Rectangle : public Shape {
private:
    double width, height;
public:
    Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}
    double area() const override { return width * height; }
};

int main() {
    Shape* shapes[2];
    shapes[0] = new Circle(5.0);
    shapes[1] = new Rectangle(3.0, 4.0);

    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        cout << "Area: " << shapes[i]->area() << endl; // 动态调用正确的 area()
    }

    delete shapes[0];
    delete shapes[1];
    return 0;
}

输出：

Area: 78.5
Area: 12

注意事项

1. 性能开销
   虚函数调用比普通函数略慢，因为需要通过虚函数表查找函数地址。

2. 构造函数与析构函数

   • 构造函数不能是虚函数（对象尚未完全创建）。
   • 析构函数通常应该是虚函数，尤其是基类指针指向派生类对象时，确保正确释放资源：

     class Base {
     public:
         virtual ~Base() {} // 虚析构函数
     };
     

3. 虚函数与默认参数
   默认参数是静态绑定的，调用时根据指针/引用的类型确定，而非对象实际类型。

总结

虚函数是C++实现多态的关键机制，它允许通过基类接口调用派生类的特定实现，使代码更灵活、可扩展。合理使用虚函数可以构建出松耦合、易维护的面向对象系统。