C++ 面向对象中的虚（Virtual）

1. 虚函数

1.1 简述

所谓虚函数是指：在类中希望被重写(override)的虚构的函数。也就是说 C++ 可以在派生类(derived class)中通过重写基类(based class)的虚函数来实现对基类虚函数的覆盖(override)

1.2 常见用法

最常见的用法就是：声明基类的指针，指向任意一个子类对象，调用相应虚函数，就调用了子类重写的函数。由于编写基类时候并不能确定将被调用的是那个派生类的函数，因此被称为“虚”函数。

如果不使用虚函数，则使用基类指针时，将总是被限制在基类函数本身，无论如何都无法调用到子类重写的函数。

1.3 代码示例

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#include <iostream>

class Base {
public:
    Base() {
    }

public:
    void print() {
        std::cout << "Base" << std::endl;
    }

    virtual void vprint() {
        std::cout << "vBase" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    Derived() {
    }

public:
    void print(){
        std::cout << "Derived" << std::endl;
    }

    void vprint() {
        std::cout << "vDerived" << std::endl;
    }
};

int main() {
   Base *p1 = new Base();
   p1->print();
   p1->vprint();

   Derived *p2 = new Derived();
   p2->print();
   p2->vprint();

   Base *p3 = new Derived();
   p3->print();
   p3->vprint();

   return 0;
}

代码中定义了一个基类 Base，并定义了一个函数 print() 和一个虚函数 vprint()，派生类 Derived 继承自 Base，并重写了 print 和 vprint 两个函数。

main 中分别 new 了 Base 和 Derived 对象，并调用自身的函数，这结果是很好预知的，一定是

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Base
vBase
Derived
vDerived

之后定义了基类指针 p3 并将其指向派生类，输出结果是：

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Base
vDerived

这里就可以注意到基类指针调用函数 print() 时，实际上调用的是基类自身的 print()，即使这个指针已经指向了其派生类 Derived。

1.4 结果解释

这是由于 C++ 在编译时，内部成员函数一般都是静态加载的，编译器对于非虚函数他的调用地址是写死的，会将其定义类的函数地址写到调用语句上，这就是静态联编。只有在编译器遇到虚函数时才会将调用修改为寄存器间接寻址，即为动态联编。

因此，p3 虽然指向了派生类，但编译时仍然会给调用写上一个 Base::print() 的地址，即使编译器此时知道 p3 指向的并不是 Base，这是由编译逻辑决定的。

虽然你也可以不用虚函数，而是直接定义一个派生类的对象来调用派生类的方法，但这样就已经不是一个接口了，这就不是多态了。

1.5 总结

其实你也不必知道这么多的细节，你只要知道如果你想要仅仅暴露一个基类接口来实现多态，那么只需要为基类函数加上 virtual 标识符，然后用派生类重写该函数，最后将基类指针指向派生类就可以了。

1.6 附录

使用 g++ 生成汇编代码

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g++ -S -fverbose-asm -g t_virtual.cpp -o t_virtual.s
as -alhnd t_virtual.s > t_virtual.as

p3->print() 的汇编

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movq    -40(%rbp), %rax
movq    %rax, %rdi
call    _ZN4Base5printEv # 地址标号直接寻址，跳转到 Base 类的 print

p3->vprint() 的汇编

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movq    -40(%rbp), %rax
movq    (%rax), %rax
movq    (%rax), %rax
movq    -40(%rbp), %rdx
movq    %rdx, %rdi
call    *%rax           # 间接寻址

参考

¹²³⁴⁵⁶⁷⁸