虚函数在C++编程语言中是多态性的基础，在理解虚函数之前，需要了解多态性是面向对象程序设计中允许使用类的引用或指针调用由不同的子类重写的同名方法。虚函数允许子类重写父类中的方法、为动态绑定或晚期绑定奠定基础、使得在运行时可以确定调用哪个类中的方法。在C++中，使用关键字virtual声明函数作为虚函数，这意味着可以在派生类中重写该函数以实现多态行为。
一、虚函数的工作原理
虚函数的核心是虚函数表（vtable），这是一个由函数指针组成的表，它存储了指向类中虚函数的指针。每个含有虚函数的类都有自己的vtable，当一个类被实例化为对象时，对象会包含一个指向其vtable的指针（通常称为vptr）。
实例化对象及绑定过程
当通过基类指针或引用调用一个虚函数时，会查找对应对象的vptr，并按照vtable找到正确的函数地址进行调用。这一过程不是在编译时确定的，而是在运行时发生，因此称为动态绑定或晚期绑定。
虚函数与继承
当派生类继承基类时，如果在派生类中重写了基类的虚函数，派生类的vtable会更新为新的函数地址。即使使用基类的引用或指针调用虚函数，执行的也是派生类中的重写版本。
二、虚函数的声明与使用
声明虚函数的语法很简单，在基类中的函数前添加virtual关键字即可。派生类中重写虚函数时，虽然没有强制要求使用virtual关键字，但为了代码可读性和明确表明意图，应该继续使用virtual。
注意事项
使用虚函数时需要注意构造函数不能是虚函数，而析构函数通常应该声明为虚函数，特别是当类设计为基类时，以确保正确释放派生类资源。
虚函数的语法
class Base {
public:
virtual void show() {
cout << "Base::show() called" << endl;
}
};
class Derived : public Base {
public:
void show() override { // 使用override确保重写基类的虚函数
cout << "Derived::show() called" << endl;
}
};
三、虚函数与多态
多态性是指同一个接口可以由不同的对象执行，并产生不同的行为（即方法的多种具体实现）。虚函数是实现多态性的关键。
运行时多态
由于虚函数的调用是在运行时解析的，所以使用虚函数时，可以根据对象的实际类型调用适当的函数版本，这就是运行时多态的表现。
编译时多态与运行时多态
除了运行时多态外，还有编译时多态（如函数重载和模板），它们在编译阶段确定。
四、虚函数表（vtable）
虚函数表是实现C++虚函数机制的底层结构，每个含有虚函数的类都拥有自己的虚函数表。虚函数表的构建是在编译时期完成的，但具体的函数地址绑定是在运行时进行的。
vtable的构建
当类中声明了虚函数，编译器会为该类创建一个vtable。如果派生类覆盖了基类的虚函数，派生类的vtable中将指向新的函数实现。
vptr的作用
对象通过vptr（虚指针）来访问vtable，从而能够实现对正确虚函数版本的调用。编译器通常会在对象内存布局的开始位置隐式地添加vptr。
五、虚函数的注意事项
虚函数提供了很多优势，但在使用时也要注意几个要点。
虚函数的开销
每次调用虚函数都会有额外的开销，因为需要通过vptr和vtable进行查找。因此，如果不需要动态绑定的功能，应该避免将函数声明为虚函数。
相关问答FAQs：
虚函数是什么？
虚函数是面向对象程序设计中的一个重要概念，它允许子类重新定义或重写父类的方法。当一个类中的成员函数被声明为虚函数时，它可以根据对象的实际类型来确定调用哪个版本的函数，即使用动态绑定，而不是静态绑定。
为什么需要虚函数？
使用虚函数可以实现多态性，即一个对象能够表现出多种不同的形态。这对于实现基于继承的抽象和多层次的对象关系非常有用。通过使用虚函数，可以在不改变代码的情况下添加新的派生类，并且在程序运行时根据实际对象的类型调用正确的方法。
如何使用虚函数？
使用虚函数的关键是在父类中将需要重写的函数声明为虚函数，在子类中重新定义该函数。在父类的函数声明中使用关键字virtual，在子类的函数定义中使用关键字override，以确保正确重写父类的对应方法。这样，在使用父类指针或引用调用虚函数时，程序会根据实际对象的类型调用正确的版本。
