#C/C++筆記#C++虛函數的作用和使用方法

我們知道，在同一類中是不能定義兩個名字相同、參數個數和類型都相同的函數的，否則就是“重複定義”。但是在類的繼承層次結構中，在不同的層次中可以出現名字相同、參數個數和類型都相同而功能不同的函數。例如在例12.1（具體代碼請檢視：C++多态性的一個典型例子）程式中，在Circle類中定義了 area函數，在Circle類的派生類Cylinder中也定義了一個area函數。這兩個函數不僅名字相同，而且參數個數相同(均為0)，但功能不同，函數體是不同的。前者的作用是求圓面積，後者的作用是求圓柱體的表面積。這是合法的，因為它們不在同一個類中。 編譯系統按照同名覆寫的原則決定調用的對象。在例12.1程式中用cy1.area( ) 調用的是派生類Cylinder中的成員函數area。如果想調用cy1 中的直接基類Circle的area函數，應當表示為 cy1.Circle::area()。用這種方法來區分兩個同名的函數。但是這樣做 很不友善。

人們提出這樣的設想，能否用同一個調用形式，既能調用派生類又能調用基類的同名函數。在程式中不是通過不同的對象名去調用不同派生層次中的同名函數，而是通過指針調用它們。例如，用同一個語句“pt->display( );”可以調用不同派生層次中的display函數，隻需在調用前給指針變量 pt 賦以不同的值(使之指向不同的類對象)即可。

打個比方，你要去某一地方辦事，如果乘坐公共汽車，必須事先确定目的地，然後乘坐能夠到達目的地的公共汽車線路。如果改為乘計程車，就簡單多了，不必查行車路線，因為計程車什麼地方都能去，隻要在上車後臨時告訴司機要到哪裡即可。如果想通路多個目的地，隻要在到達一個目的地後再告訴司機下一個目的地即可，顯然，“打的”要比乘公共汽車 友善。無論到什麼地方去都可以乘同—輛計程車。這就是通過同一種形式能達到不同目的的例子。

C++中的虛函數就是用來解決這個問題的。虛函數的作用是允許在派生類中重新定義與基類同名的函數，并且可以通過基類指針或引用來通路基類和派生類中的同名函數。

請分析例1.1。這個例子開始時沒有使用虛函數，然後再讨論使用虛函數的情況。

[例1.1] 基類與派生類中有同名函數。在下面的程式中Student是基類，Graduate是派生類，它們都有display這個同名的函數。

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C++虛函數的作用和使用方法
Author：herongwei
Time:2017/1/29 12:00
language：C++
***************************/
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
using namespace std;
class Student
{
public:
    Student(int ,string,float);                //聲明構造函數
    void  display();                            //聲明輸出函數
protected:                                     //受保護成員，派生類可以通路
    int num;
    string name;
    float score;
};
                                               //Student類成員函數的實作
Student::Student(int N,string Name,float Score)//定義構造函數
{
    num=N;
    name=Name;
    score=Score;
}
void Student::display()                       //定義輸出函數
{
    cout<<"num=:"<<num<<endl;
     cout<<"name=:"<<name<<endl;
     cout<<"score=:"<<score<<endl;
}

class Graduate:public Student                //聲明公用派生類Graduate
{
public:
    Graduate(int,string,float,float);       //聲明構造函數
    void display();                         //聲明輸出函數
private:
    float pay;
};
void Graduate::display()                    //定義輸出函數
{
     cout<<"num=:"<<num<<endl;
     cout<<"name=:"<<name<<endl;
     cout<<"score=:"<<score<<endl;
     cout<<"pay=:"<<pay<<endl;
}
Graduate::Graduate(int N,string Name,float Score,float Pay):Student(N,Name,Score),pay(Pay){} //主函數
int main()
{
    Student stu(1234,"he",100.233);       //定義Student類對象stu
    Graduate gra(5678,"wei",233.2,233.3); //定義Graduate類對象gra
    Student *tp=&stu;                     //定義指向基類對象的指針變量tp
    tp->display();
    cout<<"#****************#"<<endl;
    tp=&gra;
    tp->display();
    return 0;
}
/*
運作結果：
num=:1234
name=:he
score=:100.233
#****************#
num=:5678
name=:wei
score=:233.2

Process returned 0 (0x0)   execution time : 0.261 s
Press any key to continue.
*/

加上
假如想輸出gra的全部資料成員，當然也可以采用這樣的方法：通過對象名調用display函數，如gra.display()，或者定義一個指向Graduate類對象的指針變量tp，然後使tp指向gra，再用tp->display()調用。這當然是可以的，但是如果該基類有多個派生類，每個派生類又産生新的派生類，形成了同一基類的類族。每個派生類都有同名函數display，在程式中要調用同一類族中不同類的同名函數，就要定義多個指向各派生類的指針變量。這兩種辦法都不友善，它要求在調用不同派生類的同名函數時采用不同的調用方式，正如同前面所說的那樣，到不同的目的地要乘坐指定的不同的公共汽車，一一 對應，不能搞錯。如果能夠用同一種方式去調用同一類族中不同類的所有的同名函數，那就好了。

用虛函數就能順利地解決這個問題。下面對程式作一點修改，在Student類中聲明display函數時，在最左面加一個關鍵字virtual，即
    virtual void display( );        
/*
運作結果：
num=:1234
name=:he
score=:100.233
#****************#
num=:5678
name=:wei
score=:233.2
pay=233.3

Process returned 0 (0x0)   execution time : 0.261 s
Press any key to continue.
*/      

現在用同一個指針變量（指向基類對象的指針變量），不但輸出了學生stu的全部資料，而且還輸出了研究所學生gra的全部資料，說明已調用了gra的display函數。用同一種調用形式“tp->display()”，而且tp是同一個基類指針，可以調用同一類族中不同類的虛函數。這就是多态性，對同一消息，不同對象有 不同的響應方式。

說明：本來基類指針是用來指向基類對象的，如果用它指向派生類對象，則進行指針類型轉換，将派生類對象的指針先轉換為基類的指針，是以基類指針指向的是派生類對象中的基類部分。在程式修改前，是無法通過基類指針去調用派生類對象中的成員函數的。虛函數突破了這一限制，在派生類的基類部分中，派生類的虛函數取代了基類原來的虛函數，是以在使基類指針指向派生類對象後，調用虛函數時就調用了派生類的虛函數。 要注意的是，隻有用virtual聲明了虛函數後才具有以上作用。如果不聲明為虛函數，企圖通過基類指針調用派生類的非虛函數是不行的。

虛函數的以上功能是很有實用意義的。在面向對象的程式設計中，經常會用到類的繼承，目的是保留基類的特性，以減少新類開發的時間。但是，從基類繼承來的某些成員函數不完全适應派生類的需要，例如在例12.2中，基類的display函數隻輸出基類的資料，而派生類的display函數需要輸出派生類的資料。過去我們曾經使派生類的輸出函數與基類的輸出函數不同名（如display和display1），但如果派生的層次多，就要起許多不同的函數名，很不友善。如果采用同名函數，又會發生同名覆寫。

利用虛函數就很好地解決了這個問題。可以看到：當把基類的某個成員函數聲明為虛函數後，允許在其派生類中對該函數重新定義，賦予它新的功能，并且可以通過指向基類的指針指向同一類族中不同類的對象，進而調用其中的同名函數。由虛函數實作的動态多态性就是：同一類族中不同類的對象，對同一函數調用作出不同的響應。

虛函數的使用方法是：

在基類用virtual聲明成員函數為虛函數。

這樣就可以在派生類中重新定義此函數，為它賦予新的功能，并能友善地被調用。在類外定義虛函數時，不必再加virtual。

在派生類中重新定義此函數，要求函數名、函數類型、函數參數個數和類型全部與基類的虛函數相同，并根據派生類的需要重新定義函數體。

C++規定，當一個成員函數被聲明為虛函數後，其派生類中的同名函數都自動成為虛函數。是以在派生類重新聲明該虛函數時，可以加virtual，也可以不加，但習慣上一般在每一層聲明該函數時都加virtual，使程式更加清晰。如果在派生類中沒有對基類的虛函數重新定義，則派生類簡單地繼承其直接基類的虛函數。

定義一個指向基類對象的指針變量，并使它指向同一類族中需要調用該函數的對象。

通過該指針變量調用此虛函數，此時調用的就是指針變量指向的對象的同名函數。

通過虛函數與指向基類對象的指針變量的配合使用，就能友善地調用同一類族中不同類的同名函數，隻要先用基類指針指向即可。如果指針不斷地指向同一類族中不同類的對象，就能不斷地調用這些對象中的同名函數。這就如同前面說的，不斷地告訴計程車司機要去的目的地，然後司機把你送到你要去的地方。