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
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。
其他回答
OOP答案：亚型多态性
在C++中，需要虚拟方法来实现多态性，如果应用维基百科中的定义，则更准确地说是子类型或子类型多态性。
维基百科，分类，2019-01-09：在编程语言理论中，子类型化（也称为子类型多态性或包含多态性）是类型多态性的一种形式，其中子类型是通过某种可替代性概念与另一个数据类型（父类型）相关的数据类型，这意味着程序元素（通常是子例程或函数），编写为对父类型的元素进行操作也可以对子类型的元素执行操作。
注意：子类型表示基类，子类型表示继承类。
关于亚型多态性的进一步阅读
https://en.wikipedia.org/wiki/Subtypinghttps://en.wikipedia.org/wiki/Polymorphism_（computer_science）#子类型
技术答案：动态调度
如果您有一个指向基类的指针，那么方法的调用（声明为虚拟）将被分派到所创建对象的实际类的方法。这就是亚型多态性是如何在C++中实现的。
进一步阅读C++中的多态性与动态调度
http://www.cplusplus.com/doc/tutorial/polymorphism/https://en.cppreference.com/w/cpp/language/virtual
实现答案：创建vtable条目
对于方法上的每个修饰符“virtual”，C++编译器通常会在声明方法的类的vtable中创建一个条目。这就是常见的C++编译器实现动态调度的方式。
进一步阅读vtables
https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_method_table
示例代码
#include <iostream>
using namespace std;
class Animal {
public:
virtual void MakeTypicalNoise() = 0; // no implementation needed, for abstract classes
virtual ~Animal(){};
};
class Cat : public Animal {
public:
virtual void MakeTypicalNoise()
{
cout << "Meow!" << endl;
}
};
class Dog : public Animal {
public:
virtual void MakeTypicalNoise() { // needs to be virtual, if subtype polymorphism is also needed for Dogs
cout << "Woof!" << endl;
}
};
class Doberman : public Dog {
public:
virtual void MakeTypicalNoise() {
cout << "Woo, woo, woow!";
cout << " ... ";
Dog::MakeTypicalNoise();
}
};
int main() {
Animal* apObject[] = { new Cat(), new Dog(), new Doberman() };
const int cnAnimals = sizeof(apObject)/sizeof(Animal*);
for ( int i = 0; i < cnAnimals; i++ ) {
apObject[i]->MakeTypicalNoise();
}
for ( int i = 0; i < cnAnimals; i++ ) {
delete apObject[i];
}
return 0;
}
示例代码输出
Meow!
Woof!
Woo, woo, woow! ... Woof!
代码示例的UML类图
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。
接口设计采用虚拟方法。例如，在Windows中有一个名为IUnknown的界面，如下所示：
interface IUnknown {
virtual HRESULT QueryInterface (REFIID riid, void **ppvObject) = 0;
virtual ULONG AddRef () = 0;
virtual ULONG Release () = 0;
};
这些方法留给界面用户来实现。它们对于创建和销毁必须继承IUnknown的某些对象至关重要。在这种情况下，运行时知道这三个方法，并期望在调用它们时实现它们。所以在某种意义上，它们充当了对象本身和使用该对象的任何事物之间的契约。
如果基类是base，派生类是Der，则可以有一个base*p指针，它实际上指向Der的实例。当您调用p->foo（）；时；，如果foo不是虚拟的，则执行Base版本的foo，忽略p实际上指向Der的事实。如果foo是虚拟的，则p->foo（）执行foo的“最叶”覆盖，充分考虑指向项的实际类。因此，虚拟和非虚拟之间的区别实际上非常关键：前者允许运行时多态性，这是OO编程的核心概念，而后者则不允许。
