這篇文章主要介紹了詳解C++編程中的虛函數(shù),包括在什么情況下應(yīng)當(dāng)聲明虛函數(shù)的相關(guān)講解,需要的朋友可以參考下

我們知道，在同一類中是不能定義兩個名字相同、參數(shù)個數(shù)和類型都相同的函數(shù)的，否則就是“重復(fù)定義”。但是在類的繼承層次結(jié)構(gòu)中，在不同的層次中可以出現(xiàn)名字相同、參數(shù)個數(shù)和類型都相同而功能不同的函數(shù)。

人們提出這樣的設(shè)想，能否用同一個調(diào)用形式，既能調(diào)用派生類又能調(diào)用基類的同名函數(shù)。在程序中不是通過不同的對象名去調(diào)用不同派生層次中的同名函數(shù)，而是通過指針調(diào)用它們。例如，用同一個語句“pt->display( );”可以調(diào)用不同派生層次中的display函數(shù)，只需在調(diào)用前給指針變量 pt 賦以不同的值(使之指向不同的類對象)即可。

打個比方，你要去某一地方辦事，如果乘坐公交車，必須事先確定目的地，然后乘坐能夠到達目的地的公交車線路。如果改為乘出租車，就簡單多了，不必查行車路線，因為出租車什么地方都能去，只要在上車后臨時告訴司機要到哪里即可。如果想訪問多個目的地，只要在到達一個目的地后再告訴司機下一個目的地即可，顯然，“打的”要比乘公交車 方便。無論到什么地方去都可以乘同—輛出租車。這就是通過同一種形式能達到不同目的的例子。

C++中的虛函數(shù)就是用來解決這個問題的。虛函數(shù)的作用是允許在派生類中重新定義與基類同名的函數(shù)，并且可以通過基類指針或引用來訪問基類和派生類中的同名函數(shù)。

請分析下面這個例子。這個例子開始時沒有使用虛函數(shù)，然后再討論使用虛函數(shù)的情況。

[例] 基類與派生類中有同名函數(shù)。在下面的程序中Student是基類，Graduate是派生類，它們都有display這個同名的函數(shù)。

1. #include <iostream> 
2. #include <string> 
3. using namespace std; 
4. //聲明基類Student 
5. class Student 
6. { 
7. public: 
8. Student(int, string,float); //聲明構(gòu)造函數(shù) 
9. void display( );//聲明輸出函數(shù) 
10. protected: //受保護成員，派生類可以訪問 
11. int num; 
12. string name; 
13. float score; 
14. }; 
15. //Student類成員函數(shù)的實現(xiàn) 
16. Student::Student(int n, string nam,float s)//定義構(gòu)造函數(shù) 
17. { 
18. num=n; 
19. name=nam; 
20. score=s; 
21. } 
22. void Student::display( )//定義輸出函數(shù) 
23. { 
24. cout<<"num:"<<num<<"/nname:"<<name<<"/nscore:"<<score<<"/n/n"; 
25. } 
26. //聲明公用派生類Graduate 
27. class Graduate:public Student 
28. { 
29. public: 
30. Graduate(int, string, float, float);//聲明構(gòu)造函數(shù) 
31. void display( );//聲明輸出函數(shù) 
32. private:float pay; 
33. }; 
34. // Graduate類成員函數(shù)的實現(xiàn) 
35. void Graduate::display( )//定義輸出函數(shù) 
36. { 
37. cout<<"num:"<<num<<"/nname:"<<name<<"/nscore:"<<score<<"/npay="<<pay<<endl; 
38. } 
39. Graduate::Graduate(int n, string nam,float s,float p):Student(n,nam,s),pay(p){} 
40. //主函數(shù) 
41. int main() 
42. { 
43. Student stud1(1001,"Li",87.5);//定義Student類對象stud1 
44. Graduate grad1(2001,"Wang",98.5,563.5);//定義Graduate類對象grad1 
45. Student *pt=&stud1;//定義指向基類對象的指針變量pt 
46. pt->display( ); 
47. pt=&grad1; 
48. pt->display( ); 
49. return 0; 
50. } 

運行結(jié)果如下：

1. num:1001(stud1的數(shù)據(jù)) 
2. name:Li 
3. score:87.5 
4.  
5. num:2001 (grad1中基類部分的數(shù)據(jù)) 
6. name:wang 
7. score:98.5 

假如想輸出grad1的全部數(shù)據(jù)成員，當(dāng)然也可以采用這樣的方法：通過對象名調(diào)用display函數(shù)，如grad1.display()，或者定義一個指向Graduate類對象的指針變量ptr，然后使ptr指向gradl，再用ptr->display()調(diào)用。這當(dāng)然是可以的，但是如果該基類有多個派生類，每個派生類又產(chǎn)生新的派生類，形成了同一基類的類族。每個派生類都有同名函數(shù)display，在程序中要調(diào)用同一類族中不同類的同名函數(shù)，就要定義多個指向各派生類的指針變量。這兩種辦法都不方便，它要求在調(diào)用不同派生類的同名函數(shù)時采用不同的調(diào)用方式，正如同前面所說的那樣，到不同的目的地要乘坐指定的不同的公交車，一一 對應(yīng)，不能搞錯。如果能夠用同一種方式去調(diào)用同一類族中不同類的所有的同名函數(shù)，那就好了。

用虛函數(shù)就能順利地解決這個問題。下面對程序作一點修改，在Student類中聲明display函數(shù)時，在最左面加一個關(guān)鍵字virtual，即

1. virtual void display( ); 

這樣就把Student類的display函數(shù)聲明為虛函數(shù)。程序其他部分都不改動。再編譯和運行程序，請注意分析運行結(jié)果：

1. num:1001(stud1的數(shù)據(jù)) 
2. name:Li 
3. score:87.5 
4.  
5. num:2001 (grad1中基類部分的數(shù)據(jù)) 
6. name:wang 
7. score:98.5 
8. pay=1200 (這一項以前是沒有的) 

看!這就是虛函數(shù)的奇妙作用?，F(xiàn)在用同一個指針變量(指向基類對象的指針變量)，不但輸出了學(xué)生stud1的全部數(shù)據(jù)，而且還輸出了研究生grad1的全部數(shù)據(jù)，說明已調(diào)用了grad1的display函數(shù)。用同一種調(diào)用形式“pt->display()”，而且pt是同一個基類指針，可以調(diào)用同一類族中不同類的虛函數(shù)。這就是多態(tài)性，對同一消息，不同對象有 不同的響應(yīng)方式。

說明：本來基類指針是用來指向基類對象的，如果用它指向派生類對象，則進行指針類型轉(zhuǎn)換，將派生類對象的指針先轉(zhuǎn)換為基類的指針，所以基類指針指向的是派生類對象中的基類部分。在程序修改前，是無法通過基類指針去調(diào)用派生類對象中的成員函數(shù)的。虛函數(shù)突破了這一限制，在派生類的基類部分中，派生類的虛函數(shù)取代了基類原來的虛函數(shù)，因此在使基類指針指向派生類對象后，調(diào)用虛函數(shù)時就調(diào)用了派生類的虛函數(shù)。 要注意的是，只有用virtual聲明了虛函數(shù)后才具有以上作用。如果不聲明為虛函數(shù)，企圖通過基類指針調(diào)用派生類的非虛函數(shù)是不行的。

虛函數(shù)的以上功能是很有實用意義的。在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計中，經(jīng)常會用到類的繼承，目的是保留基類的特性，以減少新類開發(fā)的時間。但是，從基類繼承來的某些成員函數(shù)不完全適應(yīng)派生類的需要，例如在例中，基類的display函數(shù)只輸出基類的數(shù)據(jù)，而派生類的display函數(shù)需要輸出派生類的數(shù)據(jù)。過去我們曾經(jīng)使派生類的輸出函數(shù)與基類的輸出函數(shù)不同名(如display和display1)，但如果派生的層次多，就要起許多不同的函數(shù)名，很不方便。如果采用同名函數(shù)，又會發(fā)生同名覆蓋。

利用虛函數(shù)就很好地解決了這個問題?？梢钥吹剑寒?dāng)把基類的某個成員函數(shù)聲明為虛函數(shù)后，允許在其派生類中對該函數(shù)重新定義，賦予它新的功能，并且可以通過指向基類的指針指向同一類族中不同類的對象，從而調(diào)用其中的同名函數(shù)。由虛函數(shù)實現(xiàn)的動態(tài)多態(tài)性就是：同一類族中不同類的對象，對同一函數(shù)調(diào)用作出不同的響應(yīng)。

虛函數(shù)的使用方法是：

在基類用virtual聲明成員函數(shù)為虛函數(shù)。

這樣就可以在派生類中重新定義此函數(shù)，為它賦予新的功能，并能方便地被調(diào)用。在類外定義虛函數(shù)時，不必再加virtual。

在派生類中重新定義此函數(shù)，要求函數(shù)名、函數(shù)類型、函數(shù)參數(shù)個數(shù)和類型全部與基類的虛函數(shù)相同，并根據(jù)派生類的需要重新定義函數(shù)體。

C++規(guī)定，當(dāng)一個成員函數(shù)被聲明為虛函數(shù)后，其派生類中的同名函數(shù)都自動成為虛函數(shù)。因此在派生類重新聲明該虛函數(shù)時，可以加virtual，也可以不加，但習(xí)慣上一般在每一層聲明該函數(shù)時都加virtual，使程序更加清晰。如果在派生類中沒有對基類的虛函數(shù)重新定義，則派生類簡單地繼承其直接基類的虛函數(shù)。

定義一個指向基類對象的指針變量，并使它指向同一類族中需要調(diào)用該函數(shù)的對象。

通過該指針變量調(diào)用此虛函數(shù)，此時調(diào)用的就是指針變量指向的對象的同名函數(shù)。

通過虛函數(shù)與指向基類對象的指針變量的配合使用，就能方便地調(diào)用同一類族中不同類的同名函數(shù)，只要先用基類指針指向即可。如果指針不斷地指向同一類族中不同類的對象，就能不斷地調(diào)用這些對象中的同名函數(shù)。這就如同前面說的，不斷地告訴出租車司機要去的目的地，然后司機把你送到你要去的地方。

需要說明;有時在基類中定義的非虛函數(shù)會在派生類中被重新定義(如例中的area函數(shù))，如果用基類指針調(diào)用該成員函數(shù)，則系統(tǒng)會調(diào)用對象中基類部分的成員函數(shù);如果用派生類指針調(diào)用該成員函數(shù)，則系統(tǒng)會調(diào)用派生類對象中的成員函數(shù)，這并不是多態(tài)性行為(使用的是不同類型的指針)，沒有用到虛函數(shù)的功能。

以前介紹的函數(shù)重載處理的是同一層次上的同名函數(shù)問題，而虛函數(shù)處理的是不同派生層次上的同名函數(shù)問題，前者是橫向重載，后者可以理解為縱向重載。但與重載不同的是:同一類族的虛函數(shù)的首部是相同的，而函數(shù)重載時函數(shù)的首部是不同的(參數(shù)個數(shù)或類型不同)。

在什么情況下應(yīng)當(dāng)聲明虛函數(shù)

使用虛函數(shù)時，有兩點要注意：

只能用virtual聲明類的成員函數(shù)，使它成為虛函數(shù)，而不能將類外的普通函數(shù)聲明為虛函數(shù)。因為虛函數(shù)的作用是允許在派生類中對基類的虛函數(shù)重新定義。顯然，它只能用于類的繼承層次結(jié)構(gòu)中。

一個成員函數(shù)被聲明為虛函數(shù)后，在同一類族中的類就不能再定義一個非virtual的但與該虛函數(shù)具有相同的參數(shù)(包括個數(shù)和類型)和函數(shù)返回值類型的同名函數(shù)。

根據(jù)什么考慮是否把一個成員函數(shù)聲明為虛函數(shù)呢?主要考慮以下幾點：

首先看成員函數(shù)所在的類是否會作為基類。然后看成員函數(shù)在類的繼承后有無可能被更改功能，如果希望更改其功能的，一般應(yīng)該將它聲明為虛函數(shù)。

如果成員函數(shù)在類被繼承后功能不需修改，或派生類用不到該函數(shù)，則不要把它聲明為虛函數(shù)。不要僅僅考慮到要作為基類而把類中的所有成員函數(shù)都聲明為虛函數(shù)。

應(yīng)考慮對成員函數(shù)的調(diào)用是通過對象名還是通過基類指針或引用去訪問，如果是通過基類指針或引用去訪問的，則應(yīng)當(dāng)聲明為虛函數(shù)。

有時，在定義虛函數(shù)時，并不定義其函數(shù)體，即函數(shù)體是空的。它的作用只是定義了一個虛函數(shù)名，具體功能留給派生類去添加。

需要說明的是：使用虛函數(shù)，系統(tǒng)要有一定的空間開銷。當(dāng)一個類帶有虛函數(shù)時，編譯系統(tǒng)會為該類構(gòu)造一個虛函數(shù)表(virtual function table，簡稱vtable)，它是一個指針數(shù)組，存放每個虛函數(shù)的入口地址。系統(tǒng)在進行動態(tài)關(guān)聯(lián)時的時間開銷是很少的，因此，多態(tài)性是高效的。