C++虚函数有什么用 C++多态实现原理与代码演示【进阶】

虚函数实现运行时多态，通过vtable和vptr支持动态绑定；非静态成员函数可声明为虚，构造函数不可，析构函数应为virtual以防资源泄漏；纯虚函数使类抽象化。

虚函数是用来让基类指针/引用调用子类重写函数的

没有 virtual，编译器在编译时就决定调用哪个函数（静态绑定）；加上 virtual 后，实际调用哪个函数由运行时对象的真实类型决定（动态绑定）。这是实现运行时多态的唯一语言机制。

常见错误现象：Base* p = new Derived(); p->func(); 调用的却是 Base::func() —— 很可能因为 func() 在基类里没声明为 virtual。

• 只有非静态成员函数能是虚函数；构造函数不能是虚函数，析构函数建议声明为 virtual
• 虚函数可以被继承、被重写（override），但重写时签名必须完全一致（c++11 起推荐加 override 关键字显式声明）
• 纯虚函数（virtual void func() = 0;）让类变成抽象类，不能实例化，强制子类实现

虚函数表（vtable）和虚函数指针（vptr）是多态的底层支撑

C++ 标准不规定实现细节，但主流编译器（GCC、Clang、MSVC）都用「每个类一张虚函数表 + 每个对象一个虚函数指针」的方式。vtable 是函数指针数组，存着该类所有虚函数的地址；vptr 是对象内存布局开头的一个隐式指针，指向其所属类的 vtable。

使用场景：调试时查看对象内存布局、理解多继承下虚函数调用开销、排查虚函数未生效问题。

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性能影响：virtual 函数调用比普通函数多一次间接寻址（通过 vptr 找 vtable，再索引函数指针），但现代 CPU 分支预测和缓存优化后开销极小；真正代价在于禁止内联（除非编译器能确定具体类型）。

示例（简化示意）：

struct Base {     virtual void f() { }     virtual void g() { } }; struct Derived : Base {     void f() override { } // 覆盖 Base::f }; // sizeof(Derived) 通常比 sizeof(Base) 大？不一定——vptr 通常只占一个指针大小，且 Base 和 Derived 共享同一份 vptr 偏移

为什么父类析构函数要声明为 virtual

否则 delete 基类指针时，只会调用基类析构函数，子类析构逻辑被跳过 —— 这是资源泄漏（如文件句柄、堆内存、锁）的常见根源。

错误代码：

class Base { public:     ~Base() { cout << "Base dtorn"; } }; class Derived : public Base {     int* data; public:     Derived() { data = new int[100]; }     ~Derived() { delete[] data; cout << "Derived dtorn"; } }; Base* p = new Derived(); delete p; // 只输出 "Base dtor"，data 泄漏

修复方式：把 Base::~Base() 改成 virtual ~Base()。

• 只要类设计为被继承（尤其有虚函数），就该把析构函数设为 virtual
• 如果类明确禁止继承，可加 final；若既不继承也不多态，析构函数无需 virtual
• std::unique_ptr 同样受此规则约束 —— 它的默认删除器也依赖虚析构

虚函数和 override / final 的配合容易踩坑

不加 override 时，子类函数名拼错、参数类型不匹配（如 int vs const int&）、const 限定不一致，都会导致“看似重写实则新增一个重载函数”，多态失效却无编译错误。

示例：

struct Base {     virtual void process(int x); }; struct Derived : Base {     void process(int x) const override; // 错！const 不匹配，编译失败（有 override）     void process(int x) override;         // 对     void process(double x) override;      // 错！参数类型不同，不是重写，编译失败 };

• 始终对重写函数加 override —— 编译器会严格校验是否真能覆盖基类虚函数
• final 可用于函数（禁止进一步重写）或类（禁止继承），例如 virtual void f() final;
• 虚函数不能是 Static、friend 或 template（但虚函数模板特化可以存在）

虚函数机制本身简单，但它的行为高度依赖编译器对继承关系、函数签名、内存布局的精确理解；一旦某个环节出偏差（比如忘记 virtual、签名差一个 const、多继承下 vtable 偏移错乱），多态就静默失效，而这类 bug 往往在运行时才暴露，且难以追踪。