为什么C++虚拟成员函数模板不被允许

基本概念

虚拟函数表（vtable）是一个在每个类实例中存在的指针，它指向一个包含该类的虚拟成员函数地址的表。当调用一个虚拟函数时，实际的调用是通过查找虚拟函数表来实现的。这样就允许多态行为，因为基类指针可以指向派生类的对象，而虚拟函数表中的函数指针可以指向派生类中的具体实现。

对于虚拟成员函数模板，这种机制不能很好地工作，因为函数模板在编译时生成多个实例。这些实例的数量和具体类型取决于在程序中使用模板的方式。由于编译器无法预先知道所有可能的实例和它们在虚拟函数表中的布局，因此虚拟成员函数模板在 C++ 中是不允许的。

虽然对于普通的类模板，编译器会为每个使用到的特定类型生成相应的实例。但是，对于虚拟成员函数模板，情况变得更加复杂。让我详细解释一下为什么虚拟成员函数模板在C++中是不被允许的。

1. 编译器需要确定派生类的虚拟函数表的布局。如果派生类可以覆盖基类的虚拟成员函数模板，那么这个派生类的虚拟函数表布局就会变得相当复杂。编译器必须在编译时为派生类的每个可能的函数模板实例分配一个虚拟函数表条目。这使得虚拟函数表布局变得不可预测，导致性能和空间效率下降。
2. 当使用基类指针调用虚拟函数时，需要动态确定调用哪个派生类的具体实现。虚拟成员函数模板会使这个查找过程变得非常困难，因为它要求在运行时确定一个具体的函数模板实例。这意味着编译器必须在运行时查找和生成一个具体的函数模板实例，这不仅导致性能下降，还使得编译器的实现变得复杂。
3. 可维护性和代码复杂性问题。虚拟成员函数模板的语义和实现会引入一定的复杂性，这可能导致实现错误和不可预测的行为。这对于编译器的维护和代码的可读性都带来了挑战。

虽然理论上可以找到一种支持虚拟成员函数模板的方法，但实际上，这种方法的性能、实现和维护成本相对较高。因此，C++ 标准选择不支持虚拟成员函数模板。相反，通常可以通过其他方式实现相似的功能，例如使用虚拟函数和类型擦除。

错误示例

假设有一个类模板 Foo：

template <typename T>
class Foo {
public:
    virtual void bar(T t) {}
};

如果尝试将 bar 函数声明为虚拟函数，则会遇到 C2898 错误：

template <typename T>
class Foo {
public:
    virtual void bar(T t) {} // 编译错误：成员函数模板不能是虚拟的
};

因为在类模板定义的时候，编译器并不知道将来会有哪些类型会被用来实例化 Foo，因此也不知道需要实现哪些函数，因此不能将函数模板声明为虚拟函数。