C++的多态和虚函数

在C++中，多态性（Polymorphism）是一种允许将子类对象视为父类对象使用的特性，从而使得同一个函数调用在不同的对象上可能会产生不同的行为。多态性分为编译时多态性和运行时多态性，其中运行时多态性通常通过虚函数（Virtual Function）来实现。

虚函数（Virtual Function）

虚函数是实现C++多态的关键机制。当一个函数在基类中被声明为virtual时，它就成为了虚函数。这意味着，当通过基类的指针或引用来调用这个函数时，会根据实际对象的类型（而不是指针或引用的类型）来决定调用哪个版本的函数。

虚函数的声明和使用

在基类中，使用virtual关键字声明一个虚函数。例如：

class Base {
public:
    virtual void show() {
        cout << "Base class show function" << endl;
    }
};

在派生类中，可以重写（Override）这个虚函数：

class Derived : public Base {
public:
    void show() override { // 使用override关键字可以明确表明这是一个重写
        cout << "Derived class show function" << endl;
    }
};

然后，可以通过基类指针来调用虚函数，实现多态性：

Base* basePtr;
Derived derivedObj;
basePtr = &derivedObj;
basePtr->show(); // 输出：Derived class show function

在这个例子中，尽管basePtr是指向Base类的指针，但由于show函数是虚函数，且basePtr实际上指向的是Derived类的对象，因此调用的是Derived类中的show函数。

纯虚函数和抽象类

如果一个类中包含纯虚函数（Pure Virtual Function），那么这个类就是抽象类（Abstract Class）。纯虚函数的声明是在函数声明的末尾加上= 0。例如：

class AbstractBase {
public:
    virtual void pureVirtualFunction() = 0; // 纯虚函数
};

抽象类不能实例化，通常用作基类，要求派生类必须实现所有的纯虚函数。例如：

class ConcreteDerived : public AbstractBase {
public:
    void pureVirtualFunction() override {
        cout << "ConcreteDerived class pureVirtualFunction implementation" << endl;
    }
};

在这个例子中，ConcreteDerived类必须实现pureVirtualFunction函数，否则它自身也会成为一个抽象类，不能实例化。

多态性的优点

1. 代码可重用性：通过多态性，可以使用基类指针或引用来操作不同的派生类对象，从而编写更加通用的代码。

2. 接口定义：多态性允许定义统一的接口，不同的派生类可以提供不同的实现。

3. 扩展性：在添加新的派生类时，不需要修改使用基类指针或引用的现有代码。

注意事项

• 虚函数有一个小小的性能开销，因为运行时需要查找虚函数表（Virtual Table）来确定要调用的函数。

• 如果一个类中有虚函数，那么该类就会有一个虚函数表指针（通常称为vptr），这会增加对象的大小。

• 构造函数不能是虚函数，因为构造对象时，对象的类型必须是已知的。

• 析构函数通常是虚函数，特别是当类被用作多态基类时，以确保正确的对象析构。