C/C++中虚函数详解及其作用介绍

概述

虚函数 (virtual function) 指可以被子类继承和覆盖的函数.

使用方法

基类声明成员函数为虚函数的方法:

virtual [类型] 函数名([参数表列])

注: 在类外定义虚函数时, 不需再加 virtual.

虚函数的特点:

• 提高程序扩充性: 派生类根据需要可以进行函数覆盖
• 成员函数被声明为虚数后, 其派生类中覆盖函数自动称为虚函数
• 若虚函数在派生类中未重新定义, 则派生类简单继承其直接基类的虚函数
• 指向基类的指针, 当指向派生类对象时, 可以嗲用派生类的方法

关联

通过关联 (binding), 我们可以把一个标识符和一个存储地址联系起来, 或者把一个函数名与一个类对象捆绑在一起.

静态关联

静态关联 (static binding) 指通过对象名调用虚函数. 在编译时即可确定其调用的虚函数属于哪一类

动态关联

动态关联 (dynamic binding) 是指通过基类指针与虚函数, 在运行阶段确定关联关系. 动态关联提供动态的多态性, 即运行阶段的多态性.

案例1

未使用虚函数

Square 类:

#ifndef PROJECT6_SQUARE_H
#define PROJECT6_SQUARE_H

class Square {
protected:
    int length;
public:
    Square(int l) : length(l) {};
    int area() const {
        return length *length;
    }
};

#endif //PROJECT6_SQUARE_H

Rectangle 类:

#ifndef PROJECT6_RECTANGLE_H
#define PROJECT6_RECTANGLE_H

#include "Square.h"

class Rectangle : public Square{
private:
    int height;
public:
    Rectangle(int l, int h) : Square(l), height(h) {};
    int area() const {
        return Square::area() * 2 + length * height * 4;  // 两个底加四个边
    }
};

#endif //PROJECT6_RECTANGLE_H

main:

#include <iostream>
#include "Square.h"
#include "Rectangle.h"
using namespace std;

int main() {
    // 创建对象
    Square s1(2), *pt;
    Rectangle r1(3, 3);

    pt = &s1;
    cout << pt->area() << endl;
    pt = &r1;
    cout << pt->area() << endl;

    return 0;
}

输出结果:

4
9 // 输出的是底面积

此时调用的是 Square 类的area()函数.

使用虚拟类

Square 类:

#ifndef PROJECT6_SQUARE_H
#define PROJECT6_SQUARE_H

class Square {
protected:
    int length;
public:
    Square(int l) : length(l) {};
    virtual int area() const {
        return length *length;
    }
};

#endif //PROJECT6_SQUARE_H

Rectangle 类:

#ifndef PROJECT6_RECTANGLE_H
#define PROJECT6_RECTANGLE_H

#include "Square.h"

class Rectangle : public Square{
private:
    int height;
public:
    Rectangle(int l, int h) : Square(l), height(h) {};
    int area() const {
        return Square::area() * 2 + length * height * 4;  // 两个底加四个边
    }
};

#endif //PROJECT6_RECTANGLE_H

main:

#include <iostream>
#include "Square.h"
#include "Rectangle.h"
using namespace std;

int main() {
    // 创建对象
    Square s1(2), *pt;
    Rectangle r1(3, 3);

    pt = &s1;
    cout << pt->area() << endl;
    pt = &r1;
    cout << pt->area() << endl;

    return 0;
}

输出结果:

4
54 // 长方体的面积

此时调用的是 Rectangle 类的area()函数.

案例2

Animal 类:

#ifndef PROJECT6_ANIMAL_H
#define PROJECT6_ANIMAL_H

#include <iostream>
using namespace std;

class Animal {
public:
    virtual void bark(){
        cout << "咋叫?" << endl;
    }
};

#endif //PROJECT6_ANIMAL_H

Dog 类:

#ifndef PROJECT6_DOG_H
#define PROJECT6_DOG_H

#include "Animal.h"

class Dog : public Animal{
public:
    void bark() {
        cout << "汪汪!" << endl;
    }
};

#endif //PROJECT6_DOG_H

Cat 类:

#ifndef PROJECT6_CAT_H
#define PROJECT6_CAT_H

#include "Animal.h"

class Cat : public Animal{
public:
    void bark() {
        cout << "喵喵!" << endl;
    }
};

#endif //PROJECT6_CAT_H

Pig 类:

#ifndef PROJECT6_PIG_H
#define PROJECT6_PIG_H

#include "Animal.h"

class Pig : public Animal {
public:
    void bark() {
        cout << "哼哼!" << endl;
    }
};

#endif //PROJECT6_PIG_H

main:

#include <iostream>
#include "Animal.h"
#include "Dog.h"
#include "Cat.h"
#include "Pig.h"
using namespace std;

int main() {
    // 创建对象
    Animal a, *pt;
    Dog d;
    Cat c;
    Pig p;

    pt = &a;
    pt -> bark();  // 调用基类的bark()
    pt = &d;
    pt -> bark();  // 调用狗的bark()
    pt = &c;
    pt -> bark();  // 调用猫的bark()
    pt = &p;
    pt -> bark();  // 调用猪的bark()

    return 0;
}

输出结果:

咋叫?
汪汪!
喵喵!
哼哼!

总结

虚函数只能是类的成员函数, 而不能将类外的普通函数声明为虚函数. 虚函数的作用是允许在派生类中对基类的虚函数重新定义 (函数覆盖), 只能用于类的继承层次结构中.

虚函数能有效减少空间开销. 当一个类带有虚函数时, 编译系统会为该类构造一个虚函数表 (一个指针数组), 用于存放每个虚函数的入口地址.

什么时候应该使用虚函数:

• 判断成员函数所在的类是不是基类, 非基类无需使用虚函数
• 成员函数在类被继承后有没有可能被更改的功能, 如果希望修改成员函数功能, 一般在基类中将其声明为虚函数
• 我们会通过对象名还是基类指针访问成员函数, 如果通过基类指针过引用去访问, 则应当声明为虚函数

有时候在定义虚函数的时候, 我们无需定义其函数体. 它的作用只是定义了一个虚函数名, 具体的功能留给派生类去添加, 也就是纯虚函数. 例如我们在上面的 Animal 类的bark()函数就应该声明为纯虚函数, 因为 Animal 为基类, 定义bark()函数实体并无意义.