虚函数，C++开发者如何有效利用

什么是虚函数？

虚函数是基类中声明的成员函数，且使用者期望在派生类中将其重新定义。那么，在C++ 中，什么是虚函数呢？在C++ 中，通常将虚函数用于实现运行时多态，该特性由 C++ 提供，适用于面向对象编程。我们将在下文更为详细地讨论运行时多态。不论函数调用所使用的指针或引用类型如何，虚函数最为重要的工作是确保函数调用正确。

1虚函数的使用规则

C++虚函数必须遵循几个关键规则：

• 在基类中使用virtual关键词来声明函数

• 虚函数不能为静态函数

• 为实现运行时多态，应使用指针或引用来访问虚拟函数

• 对于基类和派生类而言，此类函数的原型应该相同（允许使用协变式返回类型，我们将在下文进行讨论）

• 如果基类中含有虚函数，则应该使用虚拟析构函数，防止析构函数调用错误

2 用 C++ 运行虚函数的示例

虚函数在C++ 中的运行情况：

class Pet {
public:
    virtual ~Pet() {}
    virtual void make_sound() const = 0;
};


class Dog: public Pet {
public:
    virtual void make_sound() const override {
        std::cout << "raf raf
";
    }
};


class Cat: public Pet {
public:
    virtual void make_sound() const override {
        std::cout << "mewo
";
    }
};


int main() {
    Cat mitzi;
    Dog roxy;
    Pet *pets[] = {&mitzi, &roxy};
    for(auto pPet: pets) {
        pPet->make_sound();
    }
}

class PetFactory {
public:
    virtual ~PetFactory() {}
    virtual Pet* create() const = 0;
} 


class DogFactory: public PetFactory {
public:
    virtual Dog* create() const override {
        return new Dog();
    }
}; 


class CatFactory: public PetFactory {
public:
    virtual Cat* create() const override {
        return new Cat();
    }
};


int main() {
    std::vector pets;
    DogFactory df;
    CatFactory cf;
    PetFactory* petFactory[] = {&df, &cf};
    for(auto factory: petFactory) {
        pets.push_back(factory->create());
    }
    for(auto pPet: pets) {
        pPet->make_sound();
    }
    for(auto pPet: pets) {
        delete pPet;
    }
}

现在，如果您已经花费时间研究过 C++，可能会注意到，不需要由虚函数来重新定义派生类中的基函数。但存在这样的巨大区别，使得虚函数不可或缺：虚函数覆写基类函数，从而实现运行时多态。从本质上讲，多态指一个函数或对象以不同方式执行的能力，具体情况视使用方式而定。这属于面向对象编程的关键特性——结合其他众多特性，使得 C++ 作为编程语言而有别于 C 语言。

class Prism {
    double height;
public:
    virtual ~Prism() {}
    virtual double baseArea() const = 0;
    double volume() const {
        return height * baseArea();
    }
    // ...
};


class Cylinder: public Prism {
    double radius;
public:
    double baseArea() const override {
         return radius * radius * std::pi
    }
    // ...
};

虚函数功能极为强大，但它们并非毫无缺点。开始使用虚函数前，您应该注意以下事项：

1 性能

无论是在运行时性能还是在内存方面，虚函数成本都要比普通函数高。

内存部分通常冗余，取决于实现方式，但最为常见的是每个对象都有一个额外内部指针。这并不是什么大问题，除非我们有数以百万计的小对象，这些小对象的额外指针可能会引起内存问题。

函数的运行时性能成本不是一次跳转而是两次跳转，或者如果可以内联函数，性能成本就是两次跳转而不是零次跳转。虚函数需要跳转到虚函数表，再跳转到函数本身。这种额外跳转增加了 CPU 指令缓存中指令未准备就绪的概率，因此，这两次跳转并非唯一成本。

最后，如果您需要实现多态，与其他替代方案相比，性能方面的额外成本通常也在情理之中。然而，若要将第一个虚函数添加到类中，通常需要考虑额外成本。

2设计问题

继承，特别是虚函数，会引起设计问题。继承层次结构设计糟糕可能会导致类膨胀和类之间关系异常。

从构造函数和析构函数调用虚函数的规则也会影响您的设计。从构造函数和析构函数调用的任何虚函数都不是多态函数，这样一来，有时需要将操作从构造函数转移到 init 虚拟函数。

为避免糟糕设计，应切记继承和多态并非是应对任何问题的最佳解决方案。请观看 Sean Parent 的演讲”Inheritance is the Base Class of Evil“，深入了解相关内容。

3 调试，容易出错

讽刺的是，虚函数面临的挑战之一是缺乏弹性。

由于需要遵循调用流程，调试虚函数调用可能会变得稍显混乱。一般来说，遵循函数调用并不十分困难，但根据对象类型，在遵循隐藏调度方面，仍然需要进行额外工作。调试器会自行纠正错误，但决定断点位置可能会变得更加困难。

至于更容易出错，在某些情况下，不应调用虚函数的基类实现；而在某些情况下，应在开始时调用，有时也在结束时调用。由于忘记调用基类实现，或是在错误的地方、不需要的时候调用，使用虚函数极其容易出错。