C++ 虚函数：一场关于“变脸”的魔法
嘿，大家好！今天咱们来聊聊C++里一个听起来有点玄乎，但实际上非常酷的东西——虚函数。 如果你是C++世界的冒险家，那么虚函数绝对是你寻宝路上不可或缺的工具。它就像一个魔法师，能让你的代码拥有“变脸”的能力，让程序在运行时展现出意想不到的灵活性。
啥是虚函数？别怕，咱们先来个故事热热身。
想象一下，你是一个动物园的管理员。你手下有各种各样的动物：狮子、老虎、小鸟、金鱼……你每天都要给它们喂食。如果用C++来模拟这个场景，你可能会这样设计：
class Animal {
public:
void eat() {
std::cout << "动物正在吃东西..." << std::endl;
}
};
class Lion : public Animal {
public:
void eat() {
std::cout << "狮子正在吃肉..." << std::endl;
}
};
class Bird : public Animal {
public:
void eat() {
std::cout << "小鸟正在吃虫子..." << std::endl;
}
};
int main() {
Animal* animal1 = new Lion();
Animal* animal2 = new Bird();
animal1->eat(); // 输出：动物正在吃东西...
animal2->eat(); // 输出：动物正在吃东西...
delete animal1;
delete animal2;
return 0;
}代码看起来没啥毛病，但是当你运行的时候，你会发现，不管是狮子还是小鸟，都只显示“动物正在吃东西…”。这可不行啊！狮子要吃肉，小鸟要吃虫子，怎么能一样呢？
问题出在哪儿？
问题在于，我们用Animal*类型的指针指向了Lion和Bird对象。在C++中，如果你用父类指针调用一个函数，默认情况下，它会调用父类版本的函数。这就是静态绑定，编译器在编译时就已经决定了要调用哪个函数。
虚函数来救场！
这时候，虚函数就要闪亮登场了。 只需要在Animal类的eat()函数前面加上virtual关键字：
class Animal {
public:
virtual void eat() {
std::cout << "动物正在吃东西..." << std::endl;
}
};
class Lion : public Animal {
public:
void eat() {
std::cout << "狮子正在吃肉..." << std::endl;
}
};
class Bird : public Animal {
public:
void eat() {
std::cout << "小鸟正在吃虫子..." << std::endl;
}
};
int main() {
Animal* animal1 = new Lion();
Animal* animal2 = new Bird();
animal1->eat(); // 输出：狮子正在吃肉...
animal2->eat(); // 输出：小鸟正在吃虫子...
delete animal1;
delete animal2;
return 0;
}神奇的事情发生了！现在，程序能正确输出狮子吃肉，小鸟吃虫子了。 virtual就像一个神奇的开关，开启了“动态绑定”的模式。
动态绑定？这又是啥？
动态绑定，也叫运行时多态，是指在程序运行时，才确定要调用哪个函数。 当你在父类函数前加上virtual关键字后，编译器会为这个类创建一个神秘的表格，叫做虚函数表 (vtable)。 vtable里面存放着这个类所有虚函数的地址。
vtable：虚函数的藏宝图
每个包含虚函数的类，都会有一个vtable。 而且，每个该类的对象，都会有一个指向这个vtable的指针，通常叫做虚函数指针 (vptr)。 这个vptr就藏在这个对象的内存布局中，通常是最开始的位置。
当你通过父类指针调用虚函数时，程序会先找到对象中的vptr，然后通过vptr找到vtable，最后在vtable中找到对应虚函数的地址，并调用它。
咱们来画个图，更直观一点：
假设我们有以下类：
class Base {
public:
virtual void func1() { std::cout << "Base::func1" << std::endl; }
virtual void func2() { std::cout << "Base::func2" << std::endl; }
void func3() { std::cout << "Base::func3" << std::endl; } // 非虚函数
};
class Derived : public Base {
public:
void func1() { std::cout << "Derived::func1" << std::endl; } // 覆盖Base::func1
void func3() { std::cout << "Derived::func3" << std::endl; } // 隐藏Base::func3
};那么，Base和Derived的vtable可能看起来像这样：
Base 类的 vtable:
| 索引 | 函数地址 |
|---|---|
| 0 | Base::func1 |
| 1 | Base::func2 |
Derived 类的 vtable:
| 索引 | 函数地址 | |
|---|---|---|
| 0 | Derived::func1 | // 覆盖了 Base::func1 |
| 1 | Base::func2 | // 继承自 Base |
注意：
Derived类覆盖了Base类的func1函数，所以Derived的vtable中func1的地址指向了Derived::func1。Derived类没有覆盖func2函数，所以Derived的vtable中func2的地址仍然指向Base::func2。func3不是虚函数，所以它不会出现在vtable中。
代码演示一下：
Base* basePtr = new Derived();
basePtr->func1(); // 输出：Derived::func1 (通过 vtable 调用)
basePtr->func2(); // 输出：Base::func2 (通过 vtable 调用)
basePtr->func3(); // 输出：Base::func3 (静态绑定，不是通过 vtable)
delete basePtr;可以看到，通过父类指针调用虚函数时，程序会根据指针实际指向的对象类型，找到对应的vtable，从而调用正确的函数。 这就是多态的魅力所在！
虚函数带来的好处
- 可扩展性: 你可以很容易地添加新的子类，而不需要修改现有的代码。 就像动物园里增加了新的动物种类，你只需要创建一个新的类，并继承
Animal类，重写eat()函数即可。 - 灵活性: 程序可以在运行时根据对象的实际类型，选择合适的函数执行。 就像动物园管理员可以根据不同的动物，喂食不同的食物。
- 代码复用: 你可以利用父类的接口，编写通用的代码，而不需要关心对象的具体类型。
注意事项
- 虚函数会带来额外的开销: 因为需要维护vtable和vptr，所以会占用额外的内存空间，并且虚函数的调用也比普通函数稍微慢一些。 但是，为了获得多态带来的好处，这点开销通常是可以接受的。
- 构造函数不能是虚函数: 因为在构造对象时，对象的类型还没有完全确定，所以无法确定vptr指向哪个vtable。
- 析构函数最好是虚函数: 当用父类指针删除子类对象时，如果父类的析构函数不是虚函数，可能会导致内存泄漏。 因为只会调用父类的析构函数，而不会调用子类的析构函数，造成子类对象的部分内存没有被释放。 所以，如果你的类有继承关系，并且使用了
new操作符，一定要把析构函数声明为虚函数。
纯虚函数和抽象类
如果一个类中包含至少一个纯虚函数，那么这个类就是抽象类。 纯虚函数是指没有定义的虚函数，声明方式是在函数声明后面加上= 0。
class Animal {
public:
virtual void eat() = 0; // 纯虚函数
};抽象类不能被实例化。 也就是说，你不能创建一个Animal对象，因为eat()函数没有具体的实现。 抽象类的作用是定义一个接口，强制子类必须实现某些函数。
纯虚函数就像一个“必须完成的任务”，子类必须实现它，否则子类也会变成抽象类。
总结
虚函数是C++中实现多态的重要机制。 它通过vtable和vptr，实现了动态绑定，让程序可以在运行时根据对象的实际类型，选择合适的函数执行。 虚函数带来了可扩展性、灵活性和代码复用等好处，但也需要付出一定的性能开销。 记住，在设计类的时候，合理使用虚函数，可以让你写出更加健壮、灵活的代码。
希望这篇文章能帮助你更好地理解C++虚函数的机制。 下次当你看到virtual关键字时，不要害怕，把它想象成一个魔法开关，开启你代码的“变脸”之旅吧！ Happy coding!