C++: 虚函数，一些可能被忽视的细节

C++: 虚函数，一些可能被忽视的细节

引言：关于C++虚函数，对某些细节的理解不深入，可能导致我们的程序无法按预期结果运行，或是表明我们对其基本原理理解不够透彻。本文详细解答以下几个问题：实现多态，忘记写virtual会怎么样？虚函数的默认参数可以重载吗？纯虚函数真的不能有实现吗？析构函数可以是纯虚函数吗？

1.1 虚函数是什么？

• 虚函数是在基类中使用关键字virtual声明的函数，它在派生类中可以被重写，且在运行时根据对象的类型来调用相应的函数。

• 虚函数的作用是实现多态。多态是指同一操作作用于不同的对象上面，可以产生不同的解释和不同的执行结果。多态分为编译时多态和运行时多态，编译时多态是指函数重载，运行时多态是指虚函数。

• 虚函数动态绑定的实现原理：每个含有虚函数的类都有一个虚函数表，虚函数表中存储着虚函数的地址，当基类指针绑定了类对象后，通过类对象虚表指针指向的虚函数表找到虚函数的地址，然后调用对应的虚函数。

1.2 实现多态，忘记写virtual会怎么样？

如果忘记在派生类中写virtual关键字，那么就不会实现多态，而是静态绑定。因此以下例子中，调用的是基类的函数，而不是派生类的函数。

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

class Derived : public Base {
public:
    void func() {
        std::cout << "Derived func" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base *b = new Derived();
    b->func();
    delete b;
    return 0;
}

输出：

Base func

为了避免这种情况发生，C++11中引入了override关键字对需要重写的函数进行声明，这样如果派生类中没有重写基类的函数，编译器就会报错。

1.3 虚函数的默认参数可以重载吗？

虚函数的默认参数不可以重载，因为虚函数的调用是在运行时确定的，而默认参数是在编译时确定的。从设计角度来说，这样做是合理的，如果虚函数的默认参数可以重载，那么在运行时，编译器就需要在运行时选择合适的默认参数，这样就会增加编译器的复杂度。因此，虚函数的默认参数不可以重载。

class Base {
public:
    virtual void func(int i = 0) = 0;
};

void Base::func(int i) {
    std::cout << "Base func: " << i << endl;
}

class Derived : public Base {
public:
    void func(int i = 2) {
        std::cout<< "Derived func: " << i << endl;
    }
};

int main() {
    Base *b = new Derived();
    b->func();
    delete b;
    return 0;
}

输出：

Base func: 0

1.4 纯虚函数是什么？

• 纯虚函数是在基类中声明的虚函数，它在基类中没有定义，但要求任何派生类都要定义自己的实现方法，否则编译失败。

• 纯虚函数的声明格式为：virtual 函数类型 函数名(参数表) = 0;，其中“= 0”是纯虚函数的标志，它告诉编译系统，该虚函数没有实现。

• 含有纯虚函数的类是抽象类，抽象类是不能实例化的。

纯虚函数真的不能有实现吗？其实不然，纯虚函数是可以有自己的实现的，但是这个实现是在类外部实现的，而不是在类内部实现的。详见1.5中的代码实例。

1.5 析构函数可以是纯虚函数吗？

我们知道，析构函数是在对象销毁时调用的，而纯虚函数是没有实现的虚函数，含有纯虚函数的类是抽象类，那么，析构函数可以是纯虚函数吗？

程序验证如下：

class Base {
public:
    virtual ~Base() = 0;
};

Base::~Base() {
    std::cout << "Base destructor" << std::endl;
}

class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() {
        std::cout << "Derived destructor" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base *b = new Derived();
    delete b;
    return 0;
}

输出：

Derived destructor
Base destructor

结论：析构函数可以是纯虚函数，含有纯虚析构函数的类无法实例化。因为析构函数是在派生类析构函数调用之后才调用基类析构函数，而派生类析构函数在派生类对象销毁时才会调用，而派生类对象的销毁必须要调用基类的析构函数，因此基类析构函数必须要在类外提供定义。

如果不定义纯虚析构函数的实现，则会链接失败，报以下错误。

:(.text$_ZN7DerivedD1Ev[__ZN7DerivedD1Ev]+0x3e): undefined reference to `Base::~Base()'
collect2.exe: error: ld returned 1 exit status

为什么在类外部实现就可以呢？因为含有纯虚函数的类是抽象类，抽象类是不能实例化的，但是抽象类可以有指针和引用，因此，我们可以通过抽象类的指针或引用调用纯虚函数，但是如果纯虚函数没有实现，那么就会出现问题，因此，我们需要在类外部实现纯虚函数。

1.6 纯虚函数可以被显示调用吗？

派生类的成员函数可以通过限定函数id自由调用基类在类外定义的纯虚函数。

class Base {
public:
    virtual void func() = 0;
};

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

class Derived : public Base {
public:
    void func() {
        Base::func();
        std::cout << "Derived func" << std::endl;
    }
};

int main() {
    Base *b = new Derived();
    b->func();
    delete b;
    return 0;
}

输出：

Base func
Derived func

参考

• https://en.cppreference.com/w/cpp/language/abstract_class
• Effective C++: 55 Specific Ways to Improve Your Programs and Designs.