什么是C++虚函数、虚函数的作用和使用方法

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。例如在例12.1（具体代码请查看：C++多态性的一个典型例子）程序中，在Circle类中定义了 area函数，在Circle类的派生类Cylinder中也定义了一个area函数。这两个函数不仅名字相同，而且参数个数相同(均为0)，但功能不同，函数体是不同的。前者的作用是求圆面积，后者的作用是求圆柱体的表面积。这是合法的，因为它们不在同一个类中。 编译系统按照同名覆盖的原则决定调用的对象。在例12.1程序中用cy1.area( ) 调用的是派生类Cylinder中的成员函数area。如果想调用cy1 中的直接基类Circle的area函数，应当表示为 cy1.Circle::area()。用这种方法来区分两个同名的函数。但是这样做 很不方便。

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。

请分析例12.2。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12.2] 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。

1. #include <iostream>
2. #include <string>
3. using namespace std;
4. //声明基类Student
5. class Student
6. {
7. public:
8. Student(int, string,float); //声明构造函数
9. void display( );//声明输出函数
10. protected: //受保护成员，派生类可以访问
11. int num;
12. string name;
13. float score;
14. };
15. //Student类成员函数的实现
16. Student::Student(int n, string nam,float s)//定义构造函数
17. {
18. num=n;
19. name=nam;
20. score=s;
21. }
22. void Student::display( )//定义输出函数
23. {
24. cout<<"num:"<<num<<"\nname:"<<name<<"\nscore:"<<score<<"\n\n";
25. }
26. //声明公用派生类Graduate
27. class Graduate:public Student
28. {
29. public:
30. Graduate(int, string, float, float);//声明构造函数
31. void display( );//声明输出函数
32. private:float pay;
33. };
34. // Graduate类成员函数的实现
35. void Graduate::display( )//定义输出函数
36. {
37. cout<<"num:"<<num<<"\nname:"<<name<<"\nscore:"<<score<<"\npay="<<pay<<endl;
38. }
39. Graduate::Graduate(int n, string nam,float s,float p):Student(n,nam,s),pay(p){}
40. //主函数
41. int main()
42. {
43. Student stud1(1001,"Li",87.5);//定义Student类对象stud1
44. Graduate grad1(2001,"Wang",98.5,563.5);//定义Graduate类对象grad1
45. Student *pt=&stud1;//定义指向基类对象的指针变量pt
46. pt->display( );
47. pt=&grad1;
48. pt->display( );
49. return 0;
50. }

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12.2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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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12.1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)。