为什么我们需要虚拟功能？

虚拟函数避免了不必要的类型转换问题，我们中的一些人会争论，当我们可以使用派生类指针来调用派生类中特定的函数时，为什么需要虚拟函数！答案是，它否定了在大型系统开发中继承的全部思想，因为在大型系统中，非常需要使用单指针基类对象。

让我们比较以下两个简单的程序，以了解虚拟函数的重要性：

无虚拟功能的程序：

#include <iostream>
using namespace std;

class father
{
    public: void get_age() {cout << "Fathers age is 50 years" << endl;}
};

class son: public father
{
    public : void get_age() { cout << "son`s age is 26 years" << endl;}
};

int main(){
    father *p_father = new father;
    son *p_son = new son;

    p_father->get_age();
    p_father = p_son;
    p_father->get_age();
    p_son->get_age();
    return 0;
}

输出：

Fathers age is 50 years
Fathers age is 50 years
son`s age is 26 years

具有虚拟功能的程序：

#include <iostream>
using namespace std;

class father
{
    public:
        virtual void get_age() {cout << "Fathers age is 50 years" << endl;}
};

class son: public father
{
    public : void get_age() { cout << "son`s age is 26 years" << endl;}
};

int main(){
    father *p_father = new father;
    son *p_son = new son;

    p_father->get_age();
    p_father = p_son;
    p_father->get_age();
    p_son->get_age();
    return 0;
}

输出：

Fathers age is 50 years
son`s age is 26 years
son`s age is 26 years

通过仔细分析这两个输出，可以理解虚拟函数的重要性。

底线是，虚拟功能使生活更轻松。让我们使用M Perry的一些想法，并描述如果我们没有虚拟函数而只能使用成员函数指针会发生什么。在没有虚函数的正常估计中，我们有：

 class base {
 public:
 void helloWorld() { std::cout << "Hello World!"; }
  };

 class derived: public base {
 public:
 void helloWorld() { std::cout << "Greetings World!"; }
 };

 int main () {
      base hwOne;
      derived hwTwo = new derived();
      base->helloWorld(); //prints "Hello World!"
      derived->helloWorld(); //prints "Hello World!"

好的，这就是我们所知道的。现在让我们尝试使用成员函数指针：

 #include <iostream>
 using namespace std;

 class base {
 public:
 void helloWorld() { std::cout << "Hello World!"; }
 };

 class derived : public base {
 public:
 void displayHWDerived(void(derived::*hwbase)()) { (this->*hwbase)(); }
 void(derived::*hwBase)();
 void helloWorld() { std::cout << "Greetings World!"; }
 };

 int main()
 {
 base* b = new base(); //Create base object
 b->helloWorld(); // Hello World!
 void(derived::*hwBase)() = &derived::helloWorld; //create derived member 
 function pointer to base function
 derived* d = new derived(); //Create derived object. 
 d->displayHWDerived(hwBase); //Greetings World!

 char ch;
 cin >> ch;
 }

虽然我们可以用成员函数指针做一些事情，但它们不如虚拟函数灵活。在类中使用成员函数指针是很棘手的；至少在我的实践中，成员函数指针几乎总是必须在主函数中或从成员函数中调用，如上面的示例所示。

另一方面，虚拟函数虽然可能有一些函数指针开销，但确实大大简化了事情。

EDIT：还有一种方法与eddietree类似：c++虚拟函数与成员函数指针（性能比较）。

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。

我们需要支持“运行时多态性”的虚拟方法。当使用指针或对基类的引用引用派生类对象时，可以为该对象调用虚拟函数并执行派生类版本的函数。

你熟悉函数指针吗？虚拟函数也是一个类似的想法，只是您可以轻松地将数据绑定到虚拟函数（作为类成员）。将数据绑定到函数指针并不容易。对我来说，这是主要的概念区别。这里的许多其他答案只是说“因为…多态性！”

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。