1. 什么是虚函数？
1.1 定义
虚函数是用 virtual 关键字声明的成员函数，允许子类覆盖它，并支持 运行时多态。
1.2 特点
1.动态绑定（运行时决定调用函数）：
- 虚函数在运行时，根据对象的实际类型，而不是指针或引用的类型，决定调用哪个函数。
2.基类实现：
- 虚函数在基类中必须有默认实现（即函数体
{}，函数体内必须要有内容）。
3.子类选择覆盖：
- 虚函数在基类中有实现，子类可以选择重写虚函数，也可以直接在基类中使用该现成的虚函数。
4.虚函数表：
- 包含虚函数的类会有一个虚函数表，用来存储虚函数的地址。
5.多态支持：
- 使用基类指针或引用操作对象时，可以调用子类重写的虚函数。
1.3 语法
class Base {
public:
virtual void functionName() {
// 基类的默认实现（即出厂设置，虚函数原来的函数体内的代码实现语句）
}
};
1.4 使用场景
- 当需要在子类中覆盖基类的默认行为，并通过基类指针或引用调用时。
- 比如在面向对象的多态设计中，可以通过基类的接口调用子类的实现。
1.5 示例代码
#include <iostream>
using namespace std;
class Animal {
public:
virtual void makeSound() { // 虚函数
cout << "Some animal sound" << endl;
}
};
class Dog : public Animal {
public:
void makeSound() override { // 子类覆盖虚函数
cout << "Dog barks!" << endl;
}
};
int main() {
Animal* animal = new Dog(); // 基类指针指向子类对象
animal->makeSound(); // 动态绑定，调用 Dog 的 makeSound()
delete animal;
return 0;
}
//输出：Dog barks!2. 什么是纯虚函数？
2.1 定义
纯虚函数是一个没有实现的虚函数，基类只提供函数声明（接口），由子类负责具体实现。
纯虚函数以 = 0 的形式声明。
2.2 特点
-
没有默认实现：
- 纯虚函数在基类中没有函数体
{}，只是一个接口。用= 0表示，如virtual void makeSound() = 0; // 纯虚函数，没有实现
- 纯虚函数在基类中没有函数体
-
强制子类实现：
- 如果子类使用该纯虚函数，则子类必须实现纯虚函数，否则子类本身也会成为抽象类，无法实例化。也就是说这个纯虚函数必须在子类中要有实现语句，否则这个继承了这个纯虚函数的子类也会变成一个抽象类。
-
抽象类：
- 包含至少一个纯虚函数的类称为抽象类，抽象类不能直接实例化。
-
接口设计：
- 纯虚函数的主要作用是定义接口，让子类实现特定的功能。
2.3 语法
class Base {
public:
virtual void functionName() = 0; // 纯虚函数
};
2.4 使用场景
- 当基类无法提供合理的默认实现，只能提供一个接口，强制子类实现。
- 比如在设计图形库时，基类“形状”只能规定“绘制”接口，而具体绘制由“圆”或“矩形”实现。
2.5 示例代码
#include <iostream>
using namespace std;
class Shape {
public:
virtual void draw() = 0; // 纯虚函数
};
class Circle : public Shape {
public:
void draw() override {
cout << "Drawing a Circle" << endl;
}
};
class Rectangle : public Shape {
public:
void draw() override {
cout << "Drawing a Rectangle" << endl;
}
};
int main() {
Shape* shape;
Circle circle;
Rectangle rectangle;
shape = &circle;
shape->draw(); // 调用 Circle 的 draw()
shape = &rectangle;
shape->draw(); // 调用 Rectangle 的 draw()
return 0;
}
/*
输出：
Drawing a Circle
Drawing a Rectangle
*/
2.6扩：关于上面代码中的override关键字
override是 C++11 引入的关键字，表示子类重写了基类的虚函数。- 如果函数签名（名称、参数）与基类的虚函数不匹配，编译器会报错，防止你意外没有正确重写。
- 使用
override仅适用于完全匹配的虚函数覆盖。 - 但是如果正确书写的话
override在代码中也可以省略，但最好带上。使用override可以确保正确重写虚函数，避免因函数签名不匹配导致的错误。 -
示例1：不使用override
#include <iostream>
using namespace std;
class Animal {
public:
virtual void makeSound() { // 虚函数，有默认实现
cout << "Animal makes a sound." << endl;
}
};
class Dog : public Animal {
public:
void makeSound() { // 子类重写虚函数
cout << "Dog barks: Woof!" << endl;
}
};
int main() {
Animal* animalPtr; // 基类指针
Dog dog;
animalPtr = &dog;
animalPtr->makeSound(); // 动态绑定，调用 Dog 的 makeSound()
return 0;
}
//输出：Dog barks: Woof!
-
示例2：使用override
#include <iostream>
using namespace std;
class Animal {
public:
virtual void makeSound() { // 虚函数，有默认实现
cout << "Animal makes a sound." << endl;
}
};
class Dog : public Animal {
public:
void makeSound() override { // 使用 override 明确表示重写
cout << "Dog barks: Woof!" << endl;
}
};
int main() {
Animal* animalPtr; // 基类指针
Dog dog;
animalPtr = &dog;
animalPtr->makeSound(); // 动态绑定，调用 Dog 的 makeSound()
return 0;
}
//输出：Dog barks: Woof!
-
示例3：未正确重写虚函数(纯虚函数同理)时：子类中继承的虚函数名与基类中的虚函数不匹配。如果子类要正确重写基类的虚函数，函数的 名称、参数列表和返回类型 必须完全匹配。
#include <iostream> using namespace std; class Animal { public: virtual void makeSound() { // 虚函数，没有参数 cout << "Animal makes a sound." << endl; } }; class Dog : public Animal { public: void makeSound(int volume) override { // 错误：不匹配基类的虚函数签名 cout << "Dog barks with volume: " << volume << endl; } }; int main() { Dog dog; dog.makeSound(5); // 尝试调用错误的 makeSound return 0; } //错误提示： //error: ‘void Dog::makeSound(int)’ marked ‘override’, but does not override
3. 虚函数和纯虚函数的区别
| 特性 | 虚函数 | 纯虚函数 |
|---|---|---|
| 实现 | 基类有实现（函数体 {}）。 | 基类没有实现，用 = 0 声明。 |
| 子类是否必须实现 | 子类可以选择不实现虚函数，直接使用基类实现。 | 子类必须实现纯虚函数，否则也是抽象类。 |
| 基类实例化 | 基类不是抽象类，可以实例化。 | 基类是抽象类，不能实例化。 |
| 主要用途 | 提供默认行为，支持子类覆盖实现多态。 | 提供接口，强制子类实现特定功能。 |
4. 子类的行为
4.1 如果子类实现所有纯虚函数
子类会成为一个“完整的类”，可以直接实例化。
class Base {
public:
virtual void functionName() = 0; // 纯虚函数
};
class Derived : public Base {
public:
void functionName() override { // 子类实现纯虚函数
cout << "Function implemented" << endl;
}
};
int main() {
Derived d; // 子类可以实例化
d.functionName();
return 0;
}
4.2 如果子类没有实现某些纯虚函数
子类会变成抽象类，不能实例化。
class Base {
public:
virtual void functionName() = 0; // 纯虚函数
};
class Derived : public Base {
// 没有实现 functionName
};
int main() {
Derived d; // 这句代码会报错，Derived 是抽象类，不能实例化
return 0;
}
5. 虚函数和纯虚函数的共同点
-
动态绑定：
- 都支持动态绑定（通过虚函数表实现）。
- 在运行时，根据对象的实际类型调用函数。
-
多态支持：
- 都可以通过基类指针或引用调用子类的实现。
-
用于继承体系：
- 都需要在继承中使用，子类可以覆盖虚函数或实现纯虚函数。
6. 应用场景总结
| 场景 | 选择虚函数 | 选择纯虚函数 |
|---|---|---|
| 基类可以提供默认实现 | 如果基类能给出合理的默认行为。 | 如果基类没有合理的默认行为。 |
| 子类有灵活实现需求 | 子类可以选择覆盖，也可以直接使用基类功能。 | 子类必须实现功能，不允许不实现。 |
| 接口设计 | 不强制子类实现虚函数，可以灵活使用基类功能。 | 强制子类实现特定功能，用于接口设计。 |
7. 总结
-
虚函数：
- 有默认实现，子类可以选择覆盖或使用默认实现。
- 运行时多态： 调用函数时根据对象的实际类型决定。
-
纯虚函数：
- 没有实现，基类只规定接口，必须由子类实现。
- 抽象类： 包含纯虚函数的类不能实例化。
-
区别：
- 虚函数提供灵活的默认行为。
- 纯虚函数强制子类实现特定功能，适用于接口设计。