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【C/C++】虚函数

news 来源：原创 2025/5/9 16:56:30

📘 C++ 虚函数详解（Virtual Function）

📌 什么是虚函数？

虚函数（Virtual Function） 是 C++ 中实现运行时多态（Runtime Polymorphism） 的核心机制。

它允许派生类 重写（Override） 基类的函数实现，使得通过基类指针或引用调用函数时，能根据对象的实际类型动态绑定到对应的实现。

🔧 虚函数的作用

作用	说明
实现多态性	允许基类指针/引用指向派生类对象，并调用派生类的方法
接口设计	基类定义接口（纯虚函数），派生类实现具体功能
解耦代码	业务逻辑与具体实现分离，提高代码可维护性

🛠️ 使用方式

1. 声明虚函数

class Base {
public:virtual void show() { std::cout << "Base class" << std::endl; }
};

2. 派生类重写虚函数

class Derived : public Base {
public:void show() override {  // C++11 强制重写检查std::cout << "Derived class" << std::endl;}
};

3. 通过基类指针/引用调用

Base* ptr = new Derived();
ptr->show();  // 输出 "Derived class"

⚠️ 虚析构函数

当基类可能被继承时，必须将析构函数声明为虚函数，防止内存泄漏：

class Base {
public:virtual ~Base() {}  // 虚析构函数
};

🧠 虚函数表（vtable）与虚函数指针（vptr）

虚函数表（vtable）：每个含虚函数的类都有一个虚函数表，存储虚函数的地址。
虚函数指针（vptr）：每个对象隐式包含一个指向其类虚函数表的指针。

⚠️ 底层机制无需手动干预，但理解原理有助于优化设计。

⚖️ 注意事项

限制项	说明
不能是静态函数	静态函数属于类而非对象，无法动态绑定
不能是友元函数	友元函数不属于类成员
默认参数值需谨慎	默认参数在编译时绑定，可能引发意外行为
性能开销	间接寻址调用，比普通函数慢 5-10 倍

📦 示例代码

#include <iostream>
using namespace std;class Shape {
public:virtual void draw() { cout << "Shape" << endl; }virtual ~Shape() {}  // 虚析构函数
};class Circle : public Shape {
public:void draw() override { cout << "Circle" << endl; }
};class Rectangle : public Shape {
public:void draw() override { cout << "Rectangle" << endl; }
};int main() {Shape* shapes[] = { new Circle(), new Rectangle() };for (auto s : shapes) {s->draw();  // 多态调用delete s;}return 0;
}

输出结果：

Circle
Rectangle

❓ 常见问题

问题	回答
虚函数可以是 `inline` 吗？	✅ 可以声明为 `inline`，但编译器会忽略 `inline` 优化
虚函数可以有默认参数吗？	✅ 可以，但建议保持参数一致以避免混淆
构造函数可以是虚函数吗？	❌ 不可以，构造期间对象类型未完全确定
虚函数可以是模板函数吗？	❌ 不支持虚模板函数，但可以有虚函数模板特化

🔒 纯虚函数与抽象类

纯虚函数 是没有实现的虚函数，用于定义接口：

class Interface {
public:virtual void method() = 0;  // 纯虚函数
};

包含纯虚函数的类称为抽象类，不能直接实例化。
派生类必须实现所有纯虚函数，否则自身也是抽象类。

📊 总结

核心要点	说明
多态性	通过虚函数实现运行时动态绑定
接口设计	纯虚函数定义接口，派生类实现细节
性能考量	虚函数调用有间接寻址开销
安全销毁	基类析构函数必须为虚函数
设计原则	对扩展开放，对修改关闭（OCP）