C++面向对象：virtual关键字的使用

virtual实现多态

类的多态特性是支持面向对象的语言最主要的特性，但是支持类并不能说明就是支持面向对象，能够解决多态问题的语言，才是真正支持面向对象的开发的语言。
C++多态举例：

#include <iostream>  
using namespace std;  class Vehicle {  
public:  Vehicle(float speed, int total) : speed(speed), total(total) {}  virtual void ShowMember() { // 声明为虚函数  cout << "Vehicle function ShowMember." << endl;  }  
protected:  float speed;  int total;  
};  class Car : public Vehicle {  
public:  Car(int aird, float speed, int total) : Vehicle(speed, total), aird(aird) {}  void ShowMember() override { // 使用override关键字，明确表示这是重写基类的虚函数  
//虚函数在派生类中，由于继承的关系，这里的virtual也可以不加cout << "Car function ShowMember." << endl;  }  
protected:  int aird;  
};  void test(Vehicle &temp) {  temp.ShowMember(); // 这里会根据temp的实际类型调用对应版本的ShowMember函数  
}  int main() {  Vehicle a(120, 4);  Car b(180, 110, 4);  test(a); // 输出: Vehicle function ShowMember.  test(b); // 输出: Car function ShowMember.  return 0;  
}

代码展示C++中多态性的一个基本用法：

通过基类指针或引用调用派生类对象的虚函数时，将执行派生类中覆盖该函数的版本。

程序在运行时，能够根据其类型确定调用哪个重载的成员函数的能力，称为多态性.

　多态性依赖虚函数的定义，在需要解决多态问题的重载成员函数前，加上virtual关键字，成员函数就变成了虚函数。但是虚函数增加了一些数据存储和执行指令的开销。

用基类指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。通过基类指针或基类引用做形参，当实参传入不同的派生类(或基类)的指针或引用，在函数内部触发动态绑定，从而来运行时 实现多态的。

这种技术可以让父类的指针有“多种形态”，本质上一种泛型技术，就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比如：模板技术，RTTI技术，虚函数技术，要么是试图做到在编译时决议，要么试图做到运行时决议。

虚函数的定义遵循的规则： 

　　1.如果虚函数在基类与派生类中出现，仅仅是名字相同，而形式参数不同，或者是返回类型不同，那么即使加上了virtual关键字，也是不会进行滞后联编的。 

　　2.只有类的成员函数才能说明为虚函数，因为虚函数仅适合用与有继承关系的类对象，所以普通函数不能说明为虚函数。 

　　3.静态成员函数不能是虚函数,因为静态成员函数的特点是不受限制于某个对象。 

　　4.内联(inline)函数不能是虚函数，因为内联函数不能在运行中动态确定位置。即使虚函数在类的内部定义定义，但是在编译的时候系统仍然将它看做是非内联的。 

　　5.构造函数不能是虚函数，因为构造的时候，对象还是一片位定型的空间，只有构造完成后，对象才是具体类的实例。 

　　6.析构函数可以是虚函数,而且通常声明为虚函数。 虽然使用虚函数会降低效率，但是在处理器速度越来越快时，将一个类中的所有成员函数都定义成为virtual总是有好处的，它除了会增加一些额外的开销是没有其它坏处的，对于保证类的封装特性是有好处的。

虚函数表

虚函数是通过一张虚函数表实现。表中是类的虚函数的地址表，可以解决继承、覆盖的问题。

有虚函数的类的实例中这个表被分配在了这个实例的内存中，所以当用父类的指针来操作一个子类的时候，它像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。C++的编译器保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置（这是为了保证取到虚函数表的有最高的性能——如果有多层继承或是多重继承的情况下)。所以可以通过对象实例的地址得到这张虚函数表，然后就可以遍历其中函数指针，并调用相应的函数。

假设有这样的一个类：

 class Base {public:virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }
}

按照上面的说法，可以通过Base的实例来得到虚函数表。 

  typedef void(*Fun)(void); Base b;Fun pFun = NULL;cout << "虚函数表地址：" << (int*)(&b) << endl;cout << "虚函数表 — 第一个函数地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;// Invoke the first virtual function pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));pFun();

通过这个示例，我们可以看到，我们可以通过强行把&b转成int ，取得虚函数表的地址，然后，再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了，也就是Base::f()，这在上面的程序中得到了验证（把int 强制转成了函数指针）。通过这个示例，我们就可以知道如果要调用Base::g()和Base::h()，其代码如下：

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0);  // Base::f()
(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1);  // Base::g()
(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2);  // Base::h()

注意：在上面这个图中，我在虚函数表的最后多加了一个结点，这是虚函数表的结束结点，就像字符串的结束符“/0”一样，其标志了虚函数表的结束。

下面将分别说明“无覆盖”和“有覆盖”时的虚函数表的样子。没有覆盖父类的虚函数是毫无意义的。

一般继承（无虚函数覆盖）

假设有如下所示的一个继承关系：


在这个继承关系中，子类没有重载任何父类的函数。那么，在派生类的实例中，其虚函数表如下所示。对于实例Derive d 的虚函数表如下：

 可以看到

1）虚函数按照其声明顺序放于表中。 
2）父类的虚函数在子类的虚函数前面。

一般继承（有虚函数覆盖）

如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数，会是一个什么样子？假设，我们有下面这样的一个继承关系。

为了让大家看到被继承过后的效果，在这个类的设计中，只覆盖了父类的一个函数：f()。那么，对于派生类的实例，其虚函数表会是下面的一个样子：

从表中可以看到下面几点，

（1）覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。 
（2）没有被覆盖的函数依旧。

这样，我们就可以看到对于下面这样的程序，

Base *b = new Derive();

b->f();

由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代，于是在实际调用发生时，是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。

多重继承（无虚函数覆盖）

下面，再让我们来看看多重继承中的情况，假设有下面这样一个类的继承关系。注意：子类并没有覆盖父类的函数。

对于子类实例中的虚函数表，是下面这个样子：

可以看到：

1）  每个父类都有自己的虚表。 
2）  子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。（所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的）1

这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数。

多重继承（有虚函数覆盖）

下面我们再来看看，如果发生虚函数覆盖的情况。

下图中，我们在子类中覆盖了父类的f()函数。

下面是对于子类实例中的虚函数表的图：

我们可以看见，三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样，我们就可以任一静态类型的父类来指向子类，并调用子类的f()了。如：

 Derive d;Base1 *b1 = &d;Base2 *b2 = &d;Base3 *b3 = &d;b1->f(); //Derive::f()b2->f(); //Derive::f()b3->f(); //Derive::f()b1->g(); //Base1::g()b2->g(); //Base2::g()b3->g(); //Base3::g()

为什么具备多态特性的类的析构函数，有必要声明为virtual?

将基类的析构函数声明为virtual，那么当通过基类指针删除对象时，会首先调用派生类的析构函数，然后再调用基类的析构函数。这样就可以确保所有的清理工作都被正确执行，避免了资源泄漏。因此，如果类被设计为基类，并且希望它的派生类能够通过基类指针被正确地删除，那么应该将基类的析构函数声明为virtual。

纯虚函数

纯虚函数是一种特殊的虚函数，它在基类中声明为= 0，表明在基类中不提供具体的实现，并且要求任何派生类都必须提供该函数的实现。

纯虚函数为派生类提供了一种接口规范，确保派生类必须实现特定的功能。

如果一个类包含至少一个纯虚函数，那么这个类就是一个抽象基类。抽象基类不能被实例化，因为它包含不完整的功能。

派生类必须重写纯虚函数才能被实例化、如果一个类从抽象基类派生，并且它没有重写所有的纯虚函数，那么这个派生类也仍然是抽象的，不能实例化。派生类必须完全遵循抽象基类定义的接口规范。

#include <iostream>  
using namespace std;  // 抽象基类  
class CVirtual {  
public:  CVirtual() {}  virtual ~CVirtual() {  cout << " CVirtual destruction " << endl;  }  // 纯虚函数  virtual void fun() = 0;  
};  // 派生类  
class CDerived : public CVirtual {  
public:  CDerived() {}  ~CDerived() {}  // 覆盖纯虚函数  void fun() override {  cout << " CDerived function call " << endl;  }  
};  int main() {  // CVirtual v; // 错误！抽象基类不能被实例化  CDerived d; // 正确！派生类提供了纯虚函数的实现  d.fun(); // 调用派生类中的fun()实现  return 0;  
}

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