這篇文章主要介紹了詳解C++編程中的虛函數,包括在什么情況下應當聲明虛函數的相關講解,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、參數個數和類型都相同的函數的，否則就是“重復定義”。但是在類的繼承層次結構中，在不同的層次中可以出現名字相同、參數個數和類型都相同而功能不同的函數。

人們提出這樣的設想，能否用同一個調用形式，既能調用派生類又能調用基類的同名函數。在程序中不是通過不同的對象名去調用不同派生層次中的同名函數，而是通過指針調用它們。例如，用同一個語句“pt->display( );”可以調用不同派生層次中的display函數，只需在調用前給指針變量 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++中的虛函數就是用來解決這個問題的。虛函數的作用是允許在派生類中重新定義與基類同名的函數，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。

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

[例] 基類與派生類中有同名函數。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。

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); //聲明構造函數 
9. void display( );//聲明輸出函數 
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類成員函數的實現 
16. Student::Student(int n, string nam,float s)//定義構造函數 
17. { 
18. num=n; 
19. name=nam; 
20. score=s; 
21. } 
22. void Student::display( )//定義輸出函數 
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);//聲明構造函數 
31. void display( );//聲明輸出函數 
32. private:float pay; 
33. }; 
34. // Graduate類成員函數的實現 
35. void Graduate::display( )//定義輸出函數 
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 
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. } 

運行結果如下：

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

假如想輸出grad1的全部數據成員，當然也可以采用這樣的方法：通過對象名調用display函數，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()調用。這當然是可以的，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display，在程序中要調用同一類族中不同類的同名函數，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，它要求在調用不同派生類的同名函數時采用不同的調用方式，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，不能搞錯。如果能夠用同一種方式去調用同一類族中不同類的所有的同名函數，那就好了。

用虛函數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函數時，在最左面加一個關鍵字virtual，即

1. virtual void display( ); 

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

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

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

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，則進行指針類型轉換，將派生類對象的指針先轉換為基類的指針，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用派生類對象中的成員函數的。虛函數突破了這一限制，在派生類的基類部分中，派生類的虛函數取代了基類原來的虛函數，因此在使基類指針指向派生類對象后，調用虛函數時就調用了派生類的虛函數。 要注意的是，只有用virtual聲明了虛函數后才具有以上作用。如果不聲明為虛函數，企圖通過基類指針調用派生類的非虛函數是不行的。

虛函數的以上功能是很有實用意義的。在面向對象的程序設計中，經常會用到類的繼承，目的是保留基類的特性，以減少新類開發的時間。但是，從基類繼承來的某些成員函數不完全適應派生類的需要，例如在例中，基類的display函數只輸出基類的數據，而派生類的display函數需要輸出派生類的數據。過去我們曾經使派生類的輸出函數與基類的輸出函數不同名(如display和display1)，但如果派生的層次多，就要起許多不同的函數名，很不方便。如果采用同名函數，又會發生同名覆蓋。

利用虛函數就很好地解決了這個問題。可以看到：當把基類的某個成員函數聲明為虛函數后，允許在其派生類中對該函數重新定義，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，從而調用其中的同名函數。由虛函數實現的動態多態性就是：同一類族中不同類的對象，對同一函數調用作出不同的響應。

虛函數的使用方法是：

在基類用virtual聲明成員函數為虛函數。

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

在派生類中重新定義此函數，要求函數名、函數類型、函數參數個數和類型全部與基類的虛函數相同，并根據派生類的需要重新定義函數體。

C++規定，當一個成員函數被聲明為虛函數后，其派生類中的同名函數都自動成為虛函數。因此在派生類重新聲明該虛函數時，可以加virtual，也可以不加，但習慣上一般在每一層聲明該函數時都加virtual，使程序更加清晰。如果在派生類中沒有對基類的虛函數重新定義，則派生類簡單地繼承其直接基類的虛函數。

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用該函數的對象。

通過該指針變量調用此虛函數，此時調用的就是指針變量指向的對象的同名函數。

通過虛函數與指向基類對象的指針變量的配合使用，就能方便地調用同一類族中不同類的同名函數，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，就能不斷地調用這些對象中的同名函數。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會在派生類中被重新定義(如例中的area函數)，如果用基類指針調用該成員函數，則系統會調用對象中基類部分的成員函數;如果用派生類指針調用該成員函數，則系統會調用派生類對象中的成員函數，這并不是多態性行為(使用的是不同類型的指針)，沒有用到虛函數的功能。

以前介紹的函數重載處理的是同一層次上的同名函數問題，而虛函數處理的是不同派生層次上的同名函數問題，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:同一類族的虛函數的首部是相同的，而函數重載時函數的首部是不同的(參數個數或類型不同)。

在什么情況下應當聲明虛函數

使用虛函數時，有兩點要注意：

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

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

根據什么考慮是否把一個成員函數聲明為虛函數呢?主要考慮以下幾點：

首先看成員函數所在的類是否會作為基類。然后看成員函數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，一般應該將它聲明為虛函數。

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

應考慮對成員函數的調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，則應當聲明為虛函數。

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

需要說明的是：使用虛函數，系統要有一定的空間開銷。當一個類帶有虛函數時，編譯系統會為該類構造一個虛函數表(virtual function table，簡稱vtable)，它是一個指針數組，存放每個虛函數的入口地址。系統在進行動態關聯時的時間開銷是很少的，因此，多態性是高效的。