详解C++编程中的虚函数

我们知道，在同一类中是不能定义两个名字相同、参数个数和类型都相同的函数的，否则就是“重复定义”。但是在类的继承层次结构中，在不同的层次中可以出现名字相同、参数个数和类型都相同而功能不同的函数。

人们提出这样的设想，能否用同一个调用形式，既能调用派生类又能调用基类的同名函数。在程序中不是通过不同的对象名去调用不同派生层次中的同名函数，而是通过指针调用它们。例如，用同一个语句“pt->display( );”可以调用不同派生层次中的display函数，只需在调用前给指针变量 pt 赋以不同的值(使之指向不同的类对象)即可。

打个比方，你要去某一地方办事，如果乘坐公交车，必须事先确定目的地，然后乘坐能够到达目的地的公交车线路。如果改为乘出租车，就简单多了，不必查行车路线，因为出租车什么地方都能去，只要在上车后临时告诉司机要到哪里即可。如果想访问多个目的地，只要在到达一个目的地后再告诉司机下一个目的地即可，显然，“打的”要比乘公交车 方便。无论到什么地方去都可以乘同―辆出租车。这就是通过同一种形式能达到不同目的的例子。

C++中的虚函数就是用来解决这个问题的。虚函数的作用是允许在派生类中重新定义与基类同名的函数，并且可以通过基类指针或引用来访问基类和派生类中的同名函数。

请分析下面这个例子。这个例子开始时没有使用虚函数，然后再讨论使用虚函数的情况。

[例] 基类与派生类中有同名函数。在下面的程序中Student是基类，Graduate是派生类，它们都有display这个同名的函数。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
//声明基类Student
class Student
{
public:
  Student(int, string,float); //声明构造函数
  void display( );//声明输出函数
protected: //受保护成员，派生类可以访问
  int num;
  string name;
  float score;
};
//Student类成员函数的实现
Student::Student(int n, string nam,float s)//定义构造函数
{
  num=n;
  name=nam;
  score=s;
}
void Student::display( )//定义输出函数
{
  cout<<"num:"<<num<<"\nname:"<<name<<"\nscore:"<<score<<"\n\n";
}
//声明公用派生类Graduate
class Graduate:public Student
{
public:
  Graduate(int, string, float, float);//声明构造函数
  void display( );//声明输出函数
private:float pay;
};
// Graduate类成员函数的实现
void Graduate::display( )//定义输出函数
{
  cout<<"num:"<<num<<"\nname:"<<name<<"\nscore:"<<score<<"\npay="<<pay<<endl;
}
Graduate::Graduate(int n, string nam,float s,float p):Student(n,nam,s),pay(p){}
//主函数
int main()
{
  Student stud1(1001,"Li",87.5);//定义Student类对象stud1
  Graduate grad1(2001,"Wang",98.5,563.5);//定义Graduate类对象grad1
  Student *pt=&stud1;//定义指向基类对象的指针变量pt
  pt->display( );
  pt=&grad1;
  pt->display( );
  return 0;
}

运行结果如下：

num:1001(stud1的数据)
name:Li
score:87.5

num:2001 (grad1中基类部分的数据)
name:wang
score:98.5

假如想输出grad1的全部数据成员，当然也可以采用这样的方法：通过对象名调用display函数，如grad1.display()，或者定义一个指向Graduate类对象的指针变量ptr，然后使ptr指向gradl，再用ptr->display()调用。这当然是可以的，但是如果该基类有多个派生类，每个派生类又产生新的派生类，形成了同一基类的类族。每个派生类都有同名函数display，在程序中要调用同一类族中不同类的同名函数，就要定义多个指向各派生类的指针变量。这两种办法都不方便，它要求在调用不同派生类的同名函数时采用不同的调用方式，正如同前面所说的那样，到不同的目的地要乘坐指定的不同的公交车，一一 对应，不能搞错。如果能够用同一种方式去调用同一类族中不同类的所有的同名函数，那就好了。

用虚函数就能顺利地解决这个问题。下面对程序作一点修改，在Student类中声明display函数时，在最左面加一个关键字virtual，即

  virtual void display( );

这样就把Student类的display函数声明为虚函数。程序其他部分都不改动。再编译和运行程序，请注意分析运行结果：

num:1001(stud1的数据)
name:Li
score:87.5

num:2001 (grad1中基类部分的数据)
name:wang
score:98.5
pay=1200 (这一项以前是没有的)

看！这就是虚函数的奇妙作用。现在用同一个指针变量（指向基类对象的指针变量），不但输出了学生stud1的全部数据，而且还输出了研究生grad1的全部数据，说明已调用了grad1的display函数。用同一种调用形式“pt->display()”，而且pt是同一个基类指针，可以调用同一类族中不同类的虚函数。这就是多态性，对同一消息，不同对象有 不同的响应方式。

说明：本来基类指针是用来指向基类对象的，如果用它指向派生类对象，则进行指针类型转换，将派生类对象的指针先转换为基类的指针，所以基类指针指向的是派生类对象中的基类部分。在程序修改前，是无法通过基类指针去调用派生类对象中的成员函数的。虚函数突破了这一限制，在派生类的基类部分中，派生类的虚函数取代了基类原来的虚函数，因此在使基类指针指向派生类对象后，调用虚函数时就调用了派生类的虚函数。 要注意的是，只有用virtual声明了虚函数后才具有以上作用。如果不声明为虚函数，企图通过基类指针调用派生类的非虚函数是不行的。

虚函数的以上功能是很有实用意义的。在面向对象的程序设计中，经常会用到类的继承，目的是保留基类的特性，以减少新类开发的时间。但是，从基类继承来的某些成员函数不完全适应派生类的需要，例如在例中，基类的display函数只输出基类的数据，而派生类的display函数需要输出派生类的数据。过去我们曾经使派生类的输出函数与基类的输出函数不同名（如display和display1），但如果派生的层次多，就要起许多不同的函数名，很不方便。如果采用同名函数，又会发生同名覆盖。

利用虚函数就很好地解决了这个问题。可以看到：当把基类的某个成员函数声明为虚函数后，允许在其派生类中对该函数重新定义，赋予它新的功能，并且可以通过指向基类的指针指向同一类族中不同类的对象，从而调用其中的同名函数。由虚函数实现的动态多态性就是：同一类族中不同类的对象，对同一函数调用作出不同的响应。

虚函数的使用方法是：
在基类用virtual声明成员函数为虚函数。
这样就可以在派生类中重新定义此函数，为它赋予新的功能，并能方便地被调用。在类外定义虚函数时，不必再加virtual。
在派生类中重新定义此函数，要求函数名、函数类型、函数参数个数和类型全部与基类的虚函数相同，并根据派生类的需要重新定义函数体。
C++规定，当一个成员函数被声明为虚函数后，其派生类中的同名函数都自动成为虚函数。因此在派生类重新声明该虚函数时，可以加virtual，也可以不加，但习惯上一般在每一层声明该函数时都加virtual，使程序更加清晰。如果在派生类中没有对基类的虚函数重新定义，则派生类简单地继承其直接基类的虚函数。
定义一个指向基类对象的指针变量，并使它指向同一类族中需要调用该函数的对象。
通过该指针变量调用此虚函数，此时调用的就是指针变量指向的对象的同名函数。
通过虚函数与指向基类对象的指针变量的配合使用，就能方便地调用同一类族中不同类的同名函数，只要先用基类指针指向即可。如果指针不断地指向同一类族中不同类的对象，就能不断地调用这些对象中的同名函数。这就如同前面说的，不断地告诉出租车司机要去的目的地，然后司机把你送到你要去的地方。

需要说明；有时在基类中定义的非虚函数会在派生类中被重新定义(如例中的area函数)，如果用基类指针调用该成员函数，则系统会调用对象中基类部分的成员函数；如果用派生类指针调用该成员函数，则系统会调用派生类对象中的成员函数，这并不是多态性行为(使用的是不同类型的指针)，没有用到虚函数的功能。

以前介绍的函数重载处理的是同一层次上的同名函数问题，而虚函数处理的是不同派生层次上的同名函数问题，前者是横向重载，后者可以理解为纵向重载。但与重载不同的是:同一类族的虚函数的首部是相同的，而函数重载时函数的首部是不同的(参数个数或类型不同)。

在什么情况下应当声明虚函数
使用虚函数时，有两点要注意：
只能用virtual声明类的成员函数，使它成为虚函数，而不能将类外的普通函数声明为虚函数。因为虚函数的作用是允许在派生类中对基类的虚函数重新定义。显然，它只能用于类的继承层次结构中。
一个成员函数被声明为虚函数后，在同一类族中的类就不能再定义一个非virtual的但与该虚函数具有相同的参数(包括个数和类型)和函数返回值类型的同名函数。

根据什么考虑是否把一个成员函数声明为虚函数呢？主要考虑以下几点：
首先看成员函数所在的类是否会作为基类。然后看成员函数在类的继承后有无可能被更改功能，如果希望更改其功能的，一般应该将它声明为虚函数。
如果成员函数在类被继承后功能不需修改，或派生类用不到该函数，则不要把它声明为虚函数。不要仅仅考虑到要作为基类而把类中的所有成员函数都声明为虚函数。
应考虑对成员函数的调用是通过对象名还是通过基类指针或引用去访问，如果是通过基类指针或引用去访问的，则应当声明为虚函数。
有时，在定义虚函数时，并不定义其函数体，即函数体是空的。它的作用只是定义了一个虚函数名，具体功能留给派生类去添加。

需要说明的是：使用虚函数，系统要有一定的空间开销。当一个类带有虚函数时，编译系统会为该类构造一个虚函数表(virtual function table，简称vtable)，它是一个指针数组，存放每个虚函数的入口地址。系统在进行动态关联时的时间开销是很少的，因此，多态性是高效的。