C++ 虚函数（virtual）学习笔记教程

一、虚函数的基本概念

虚函数是C++中实现多态性的核心机制，它允许在派生类中重写基类的成员函数，并通过基类指针或引用调用派生类的实现。

• 定义方式：在函数声明前加上virtual关键字
• 作用：实现动态绑定（运行时多态），即根据对象的实际类型而非指针/引用的声明类型来调用相应的函数
• 特点：仅需在基类中声明时添加virtual，派生类中重写的函数自动成为虚函数（即使不加virtual）

class Base {
public:
    // 声明虚函数
    virtual void show() {
        cout << "Base class show()" << endl;
    }
};

二、虚函数的使用规则

1. 重写规则（函数签名需完全一致）：

   • 函数名必须相同
   • 参数列表必须相同（类型、顺序、数量）
   • 返回值类型必须相同（协变返回类型除外，即返回基类/派生类指针/引用时可不同）

2. 访问控制：派生类中重写的虚函数可以改变访问权限（如基类中public，派生类中protected），但不影响多态调用

3. 示例代码：

class Base {
public:
    virtual void func() {  // 基类虚函数
        cout << "Base::func()" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    void func() override {  // 派生类重写（建议加override关键字）
        cout << "Derived::func()" << endl;
    }
};

int main() {
    Base* ptr = new Derived();
    ptr->func();  // 输出"Derived::func()"，实现动态绑定
    delete ptr;
    return 0;
}

三、纯虚函数与抽象类

3.1 纯虚函数

纯虚函数是没有具体实现的虚函数，用于定义接口规范。

• 声明方式：在函数声明后加上= 0
• 特点：包含纯虚函数的类无法实例化
• 示例：

class Shape {
public:
    virtual double area() const = 0;  // 纯虚函数
};

3.2 抽象类

包含纯虚函数的类称为抽象类，它主要作为基类使用，为派生类提供统一接口。

• 规则：

  • 抽象类不能创建对象
  • 派生类必须实现所有纯虚函数才能成为非抽象类
  • 抽象类可以有非纯虚函数和成员变量

• 示例：

class Shape {  // 抽象类
public:
    virtual double area() const = 0;  // 纯虚函数
    virtual void print() const {  // 普通虚函数
        cout << "This is a shape" << endl;
    }
};

class Circle : public Shape {
private:
    double radius;
public:
    Circle(double r) : radius(r) {}
    double area() const override {  // 必须实现纯虚函数
        return 3.14 * radius * radius;
    }
};

四、虚析构函数

虚析构函数用于确保当通过基类指针删除派生类对象时，能正确调用派生类的析构函数。

• 必要性：如果析构函数不是虚函数，删除基类指针指向的派生类对象时，可能只调用基类析构函数，导致内存泄漏
• 声明方式：在析构函数前加virtual关键字

class Base {
public:
    virtual ~Base() {  // 虚析构函数
        cout << "Base destructor" << endl;
    }
};

class Derived : public Base {
private:
    int* data;
public:
    Derived() { data = new int; }
    ~Derived() override {  // 派生类析构函数
        delete data;
        cout << "Derived destructor" << endl;
    }
};

int main() {
    Base* ptr = new Derived();
    delete ptr;  // 先调用Derived析构函数，再调用Base析构函数
    return 0;
}

五、虚函数表（vtable）原理

C++通过虚函数表实现动态绑定，每个包含虚函数的类都有一个虚函数表（vtable），存储该类所有虚函数的地址。

• 机制：

  • 每个对象包含一个指向虚函数表的指针（vptr）
  • 派生类的虚函数表继承自基类，重写的函数会替换表中对应位置的地址
  • 调用虚函数时，通过vptr找到vtable，再调用对应函数地址

• 特点：

  • 增加了内存开销（每个对象多一个指针，每个类多一个虚函数表）
  • 虚函数调用比普通函数调用稍慢（需通过指针间接访问）

六、常见问题与注意事项

1. 构造函数不能是虚函数：因为对象在构造时，虚函数表尚未完全建立
2. 静态成员函数不能是虚函数：静态函数属于类，不依赖对象实例，无法实现动态绑定
3. 内联函数与虚函数：虚函数可以声明为inline，但多态调用时不会内联（编译期无法确定具体调用哪个函数）
4. override关键字：建议在重写虚函数时使用，编译器会检查是否正确重写，避免因函数签名不一致导致的错误
5. final关键字：可用于阻止函数被重写或类被继承

   class Base {
   public:
       virtual void func() final {}  // 该函数不能被重写
   };
   
   class FinalClass final {};  // 该类不能被继承
   

七、虚函数的应用场景

1. 多态行为：如图形系统中，不同图形（圆、矩形等）有不同的面积计算方式
2. 接口设计：通过抽象类定义接口，派生类实现具体功能
3. 回调机制：利用虚函数实现回调功能
4. 框架设计：在框架中定义虚函数作为扩展点，用户通过重写虚函数扩展框架功能

掌握虚函数是学好C++面向对象编程的关键，它为代码的灵活性和可扩展性提供了强大支持，但也需注意合理使用以避免不必要的性能开销。