C++学习之虚函数与纯虚函数

面向对象程序设计（object-oriented programming）的核心思想是数据抽象、继承、动态绑定。通过数据抽象，可以使类的接口与实现分离，使用继承，可以更容易地定义与其他类相似但不完全相同的新类，使用动态绑定，可以在一定程度上忽略相似类的区别，而以统一的方式使用它们的对象。

虚函数的作用是实现多态性（Polymorphism），多态性是将接口与实现进行分离，采用共同的方法，但因个体差异而采用不同的策略。纯虚函数则是一种特殊的虚函数。虚函数联系到多态，多态联系到继承。所以本文中都是在继承层次上做文章。没了继承，什么都没得谈。

一、虚函数

1 . 定义

在C++中，基类必须将它的两种成员函数区分开来：一种是基类希望其派生类进行覆盖的函数；另一种是基类希望派生类直接继承而不要改变的函数。对于前者，基类通过在函数之前加上virtual关键字将其定义为虚函数（virtual）。

class Base{  // 基类
public:
	virtual int func(int n) const;
};

class Derive_Class : public Base{
public:
	int func(int n) const;  // 默认也为虚函数
};

当我们在派生类中覆盖某个函数时，可以在函数前加virtual关键字。然而这不是必须的，因为一旦某个函数被声明成虚函数，则所有派生类中它都是虚函数。任何构造函数之外的非静态函数都可以是虚函数。派生类经常（但不总是）覆盖它继承的虚函数，如果派生类没有覆盖其基类中某个虚函数，则该虚函数的行为类似于其他的普通成员，派生类会直接继承其在基类中的版本。

2 . 动态绑定

当我们使用基类的引用（或指针）调用一个虚函数时将发生动态绑定（dynamic binding）。因为我们直到运行时才能知道到底调用了哪个版本的虚函数，可能是基类中的版本也可能是派生类中的版本，判断的依据是引用（或指针）所绑定的对象的真实类型。与非虚函数在编译时绑定不同，虚函数是在运行时选择函数的版本，所以动态绑定也叫运行时绑定（run-time binding）。

3 . 静态类型与动态类型

静态类型指的是变量声明时的类型或表达式生成的类型，它在编译时总是已知的；动态类型指的是变量或表达式表示的内存中的对象的类型，它直到运行时才可知。当且仅当通过基类的指针或引用调用虚函数时，才会在运行时解析该调用，也只有在这种情况下对象的动态类型才有可能与静态类型不同。如果表达式既不是引用也不是指针，则它的动态类型永远与静态类型一致。

4 . final和override

派生类中如果定义了一个函数与基类中虚函数同名但形参列表不同，编译器会认为这是派生类新定义的函数。如果我们的意图本是覆盖虚函数，则这种错误很难发现。通过在派生类中的虚函数最后加override关键字使得意图更加清晰。如果我们使用override标记了某个函数，但该函数并没有覆盖已存在的虚函数，编译器将报错。

class Base{  // 基类
public:
	virtual int func(int a, int b) const;
};

class Derive_Class : public Base{
public:
	int func(int a) const override;  // 报错，没有覆盖虚函数
};

如果我们定义一个类，并不希望它被继承。或者希望某个函数不被覆盖，则可以把类或者函数指定为final，则之后任何尝试继承该类或覆盖该函数的操作将引发错误。

class Base final { /*   */ };     // 基类不能被继承
class Derive_Class : public Base { /*  */ };     // 报错

void func(int) const final;   // 不允许后续的其他类覆盖func(int) 

5 . 回避虚函数的机制

在某些情况下，我们希望对虚函数的调用不要进行动态绑定，而是强迫其执行虚函数的某个特定版本。可以使用作用域运算符实现这一目的。

// 强行调用基类中定义的函数版本而不管baseP的动态类型是什么
int a = baseP->Base::func(42);

如果一个派生类虚函数需要调用它的基类版本，但是没有使用作用域运算符，则在运行时该调用将被解析为对派生类版本自身的调用，从而导致无限递归。

二、纯虚函数

1 . 定义

为了方便使用多态特性，我们常常需要在基类中定义虚函数。在许多情况下，在基类中不能对虚函数给出有意义的实现。为了让虚函数在基类什么也不做，引进了“纯虚函数”的概念，使函数无须定义。我们通过在函数体的位置（即在声明语句的分号之前）书写=0就可以将一个虚函数说明为纯虚函数（pure virtual）。其中，=0只能出现在类内部的虚函数声明语句处：

class Base{  // 抽象基类
public:
	virtual int func(int n) const =0;
};

需要注意的是，我们也可以为纯虚函数提供定义，不过函数体必须定义在类的外部。

2 . 抽象基类

含有（或者未经覆盖直接继承）纯虚函数的类叫抽象基类（abstract base class）。抽象基类负责定义接口，而后续的其他类可以覆盖该接口。如果派生类中没有重新定义纯虚函数，而只是继承基类的纯虚函数，则这个派生类仍然还是一个抽象基类。因为抽象基类含有纯虚函数（没有定义），所以我们不能创建一个抽象基类的对象，但可以声明指向抽象基类的指针或引用。

Base base;   // 错误，不能实例化抽象基类

总结：

1. 虚函数必须实现，不实现编译器会报错。
2. 父类和子类都有各自的虚函数版本。由多态方式在运行时动态绑定。
3. 通过作用域运算符可以强行调用指定的虚函数版本。
4. 纯虚函数声明如下：virtual void funtion()=0; 纯虚函数无需定义。包含纯虚函数的类是抽象基类，抽象基类不能创建对象，但可以声明指向抽象基类的指针或引用。
5. 派生类实现了纯虚函数以后，该纯虚函数在派生类中就变成了虚函数，其子类可以再对该函数进行覆盖。
6. 析构函数通常应该是虚函数，这样就能确保在析构时调用正确的析构函数版本。