一個簡單的「貓吃老鼠」例子,5分鐘徹底弄懂C++中的虛函數

初學者剛接觸C++語言中的 virtual 函數（虛函數）時，常常會感覺到迷惑，比如，書上說虛函數定義在基類中，其他繼承此基類的派生類都可以重寫該虛函數，因此虛函數是C++語言多態特性中非常重要的概念。但是派生類也可以重寫基類中的其他的常規函數（非虛函數）呀，那為什麼還要引入虛函數這樣看起來很複雜的概念呢？

為什麼要引入虛函數？

「貓吃老鼠」

本文不打算從理論上探討C++語言引入虛函數的原因，那樣太枯燥乏味了，我們先來看一個例子，直觀上感覺下常規（非虛）函數在面向對象編程中的局限性，請看：

定義了Animal（動物）和Cat（貓）兩個

上面這段C++語言代碼定義了Animal（動物）和Cat（貓）兩個類，其中Cat繼承了Animal（貓顯然是動物），我們可以在 main() 函數中使用這兩個類：

Animal *animal = new Animal;

Cat *cat = new Cat;animal->eat();

// 輸出： "I'm eating generic food."

cat->eat();

// 輸出： "I'm eating a rat."

到這裡一切都挺好的，動物吃食物，貓吃老鼠，即使不使用virtual關鍵字定義虛函數也完全沒有問題。現在稍稍修改下這段C++語言代碼，引入另外一個函數func()（暫時不考慮實用性，僅做示例），它的代碼如下，請看：

void func(Animal *xyz){

xyz->eat();

}

在 main() 函數中調用 func() 函數，相關的C++語言代碼示例如下，請看：

Animal *animal = new Animal;

Cat *cat = new Cat;func(animal);

// 輸出： "I'm eating generic food."

func(cat);

// 輸出： "I'm eating generic food."

出問題了~請注意第二個 func() 函數調用，我們傳遞了一個Cat對象指針給它，但是輸出的卻不是「I'm eating a rat.」！仔細觀察一下，發現 func() 函數的參數類型是Animal *xyz，那麼為了讓 func() 函數也能輸出「I'm eating a rat.」，只能重載 func() 函數了：

void func(Animal *xyz){

xyz->eat();

}

void func(Cat *xyz){

xyz->eat();

}

現在 func() 函數能夠根據輸入參數類型的不同，輸出不同的內容了。可是問題來了，Animal（動物）是一個基類，它能派生出的動物遠遠不止Cat（貓）一種，若是派生出許多派生類，每個派生類都重載一遍 func() 函數，是不是太麻煩了？

太麻煩了

神奇的虛函數

在C++語言中，重寫基類中的常規（非虛）函數當然是可以的，但是從上面的例子可以看出，重寫常規函數實現多態有時會帶來非常麻煩的問題，要避免這樣的問題可以使用 virtual function（虛函數）。現在，我們在 Animal 基類的 eat() 成員函數前加上virtual關鍵字：

加上virtual關鍵字

此時無需重載 func() 函數，僅保留一份func() 函數：

void func(Animal *xyz){

xyz->eat();

}

再執行下面的C++語言代碼，輸出就不同了：

func(animal);

// 輸出： "I'm eating generic food."

func(cat);

// 輸出： "I'm eating a rat."

看來，C++語言中的虛函數的確有些過人之處，有必要好好了解一下它。

事實上，每一個C++程式設計師都不可能避開虛函數的，就像每一個C語言程式設計師都不可能避開指針一樣。

再總結下「什麼是虛函數」

理論是少不了的，它可以加深和儘可能全面的幫助我們理解概念。基類中的虛函數允許派生類重寫功能，編譯器會保證派生類對象使用的是自己重寫的功能，即使對象是通過基類指針訪問的，例如前文中的 func(Animal *xyz) 函數，func(cat) 輸出的實際上是 Cat 類重寫的功能。這是一個非常有用的特性，調用者甚至都不需要知道 Cat 等派生類的實現，因為只需使用基類 Animal 指針就能夠輕易的調用所有派生類的重寫功能。

基類的虛函數可以完全被重寫，也可以部分的被重寫，所謂的「部分被重寫」，其實就是派生類在重寫基類虛函數時，也可以調用基類虛函數的功能。

虛函數和常規函數被調用時有什麼不同？

常規的非虛函數是靜態解析的，即在編譯時即可根據指針指向的對象確定是否被調用，例如文章開頭的例子，如果 eat() 函數是非虛函數：

// eat() 函數不是虛函數

Animal *animal = new Animal;

Cat *cat = new Cat;

animal->eat();

// 輸出： "I'm eating generic food."

cat->eat();

// 輸出： "I'm eating a rat."

此時編譯器在編譯時就能確定 animal->eat() 調用的是 Animal::eat() 函數，cat->eat() 調用的是 Cat::eat() 函數。在 func(Animal *xyz) 函數中，因為其形參是 Animal *指針類型，所以即使傳入的是 cat 對象指針，在 func() 函數內部也會被強制轉換為Animal *指針，因此 func(cat) 調用的仍然是 Animal::eat() 函數。

而虛函數就不同了，它是動態解析的，也即在程序被編譯後，運行時才根據對象的類型，而不是指向對象的指針類型決定其是否被調用，這就是說為的「動態綁定」。

關於「動態綁定」，我們在下一節中再做詳細討論，這裡先留個印象。

在C++語言中，如果某個類有虛函數，那麼大多數編譯器都會自動的為其對象維護一個隱藏的「虛指針（virtul-pointer）」，虛指針指向一個全局「虛表（virtual-table）」，虛表中存放若干函數指針，這些函數指針指向類中的虛函數。請看下面這段C++語言代碼：

class A {

public:

virtual void vfoo1();

virtual void vfoo2();

void foo1();

void foo2();

private:

int prv_i1, prv_i2;

};

顯然，類 A 有兩個常規函數以及兩個 int 型的成員變量，此外，它還有兩個虛函數，因此編譯器會創建一個虛表，虛表中存放的是函數指針，它們分別指向類 A 的虛函數，如下圖所示：

類A的虛表和虛函數

這裡應注意，虛表是屬於類的，而不是對象的，也就是說，即使有成千上萬個 A 對象，虛表也僅有一個，這些對象共用一個類虛表。編譯器會自動的為每個對象創建一個隱藏的「虛指針」__vptr，它指向類 A 的虛表，如下圖所示：

隱藏的「虛指針」__vptr

C++語言這樣實現虛函數機制的空間開銷是微乎其微的，事實上，每一個對象只需要一個額外的「虛指針」__vptr就能夠調用類的虛函數。同樣的，時間開銷也很小：相比於常規函數的調用，虛函數的調用只不過多出了額外的兩個步驟：

獲取虛表指針，得到虛表從虛表中取出虛函數的地址讀者應注意，這裡的討論為了突出主題，理想化了一些情況。

為什麼類成員函數默認都不是虛函數？

既然虛函數這麼好用，那為什麼C++語言不把類的成員函數默認定義為虛函數呢？

其實仔細考慮一下，虛函數的「好用」主要體現在定義在基類中實現多態上，但並不是所有的類都需要被設計為基類，一昧的使用虛函數可能會造成語義上的歧義，隱藏程式設計師的設計。僅將需要被繼承的基類中需要被重寫的函數定義為虛函數，要比將所有函數定義為虛函數清晰多了。

此外，經過前面的討論，我們也知道虛函數的效率實際上是沒有常規函數高的，同樣的功能中，僅從被調用過程來看，它的時間開銷和空間開銷都比常規函數高，每個對象還需要額外的虛指針索引虛表。

小結

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