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C++ | 虚函数

article 2025/2/25 1:23:55

在 C++ 面向对象编程领域，多态性堪称核心概念，而虚函数则是实现运行时多态的关键所在。

一、虚函数的概念与作用

1.1 什么是虚函数

虚函数是 C++ 中用于实现动态多态的成员函数。在基类中使用virtual关键字声明虚函数后，派生类能够重写（override）该函数。这样一来，当通过基类指针或引用调用此函数时，实际执行的将是派生类中的函数版本。

class Animal {
public:
    virtual void makeSound() {
        cout << "Animal sound!" << endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    void makeSound() override {
        cout << "Woof!" << endl;
    }
};
// 使用示例
Animal* animal = new Dog();
animal->makeSound();

上述代码中，Animal类声明了虚函数makeSound，Dog类继承自Animal类并重写了makeSound函数。通过Animal类型的指针调用makeSound函数时，实际调用的是Dog类中的makeSound函数，输出 “Woof!”。

1.2 虚函数的作用

运行时多态：根据对象的实际类型来决定调用哪个函数，实现了动态绑定，提高了代码的灵活性和可扩展性。

代码扩展性：允许新增派生类，而无需修改基类代码，符合开闭原则，使程序更易于维护和升级。

二、虚函数表（vTable）机制

2.1 虚函数表的结构

每个包含虚函数的类都拥有一个虚函数表（vTable），它本质上是一个函数指针数组，存储着该类所有虚函数的地址。编译器会为每个对象添加一个隐藏指针（vPtr），该指针指向其所属类的虚函数表。

2.2 动态绑定的实现

当通过基类指针调用虚函数时，程序会按以下步骤执行：

通过对象的 vPtr 找到虚函数表。
根据函数在表中的偏移量定位具体函数地址。
执行派生类的函数实现。

三、哪些函数可以是虚函数

虚函数的调用依赖虚函数表指针，同一个类所有对象拥有同一个虚函数表，但是每个对象都有自己独立的虚表指针。所以虚函数的调用需要借用this指针指向虚函数表。

3.1 普通成员函数

这是最常见的虚函数形式。只需在基类的成员函数声明前加上virtual关键字，就可以允许派生类对其进行重写。

class Base {

public:

virtual void func() { /*... */ }

};

3.2 析构函数

特别强调，基类的析构函数必须声明为虚函数。这是为了确保在释放派生类对象时，能够正确调用派生类和基类的析构函数，避免内存泄漏。

class Base {

public:

virtual ~Base() { /* 释放基类资源 */ }

};

class Derived : public Base {

public:

~Derived() override { /* 释放派生类资源 */ }

};

Base* obj = new Derived();

delete obj;