我們知道，在同一類(lèi)中是不能定義兩個(gè)名字相同、參數(shù)個(gè)數(shù)和類(lèi)型都相同的函數(shù)的，否則就是“重復(fù)定義”。但是在類(lèi)的繼承層次結(jié)構(gòu)中，在不同的層次中可以出現(xiàn)名字相同、參數(shù)個(gè)數(shù)和類(lèi)型都相同而功能不同的函數(shù)。

人們提出這樣的設(shè)想，能否用同一個(gè)調(diào)用形式，既能調(diào)用派生類(lèi)又能調(diào)用基類(lèi)的同名函數(shù)。在程序中不是通過(guò)不同的對(duì)象名去調(diào)用不同派生層次中的同名函數(shù)，而是通過(guò)指針調(diào)用它們。例如，用同一個(gè)語(yǔ)句“pt->display( );”可以調(diào)用不同派生層次中的display函數(shù)，只需在調(diào)用前給指針變量 pt 賦以不同的值(使之指向不同的類(lèi)對(duì)象)即可。

打個(gè)比方，你要去某一地方辦事，如果乘坐公交車(chē)，必須事先確定目的地，然后乘坐能夠到達(dá)目的地的公交車(chē)線路。如果改為乘出租車(chē)，就簡(jiǎn)單多了，不必查行車(chē)路線，因?yàn)槌鲎廛?chē)什么地方都能去，只要在上車(chē)后臨時(shí)告訴司機(jī)要到哪里即可。如果想訪問(wèn)多個(gè)目的地，只要在到達(dá)一個(gè)目的地后再告訴司機(jī)下一個(gè)目的地即可，顯然，“打的”要比乘公交車(chē) 方便。無(wú)論到什么地方去都可以乘同—輛出租車(chē)。這就是通過(guò)同一種形式能達(dá)到不同目的的例子。

C++中的虛函數(shù)就是用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的。虛函數(shù)的作用是允許在派生類(lèi)中重新定義與基類(lèi)同名的函數(shù)，并且可以通過(guò)基類(lèi)指針或引用來(lái)訪問(wèn)基類(lèi)和派生類(lèi)中的同名函數(shù)。

請(qǐng)分析下面這個(gè)例子。這個(gè)例子開(kāi)始時(shí)沒(méi)有使用虛函數(shù)，然后再討論使用虛函數(shù)的情況。

[例] 基類(lèi)與派生類(lèi)中有同名函數(shù)。在下面的程序中Student是基類(lèi)，Graduate是派生類(lèi)，它們都有display這個(gè)同名的函數(shù)。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
//聲明基類(lèi)Student
class Student
{
public:
  Student(int, string,float); //聲明構(gòu)造函數(shù)
  void display( );//聲明輸出函數(shù)
protected: //受保護(hù)成員，派生類(lèi)可以訪問(wèn)
  int num;
  string name;
  float score;
};
//Student類(lèi)成員函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
Student::Student(int n, string nam,float s)//定義構(gòu)造函數(shù)
{
  num=n;
  name=nam;
  score=s;
}
void Student::display( )//定義輸出函數(shù)
{
  cout<<"num:"<<num<<"\nname:"<<name<<"\nscore:"<<score<<"\n\n";
}
//聲明公用派生類(lèi)Graduate
class Graduate:public Student
{
public:
  Graduate(int, string, float, float);//聲明構(gòu)造函數(shù)
  void display( );//聲明輸出函數(shù)
private:float pay;
};
// Graduate類(lèi)成員函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
void Graduate::display( )//定義輸出函數(shù)
{
  cout<<"num:"<<num<<"\nname:"<<name<<"\nscore:"<<score<<"\npay="<<pay<<endl;
}
Graduate::Graduate(int n, string nam,float s,float p):Student(n,nam,s),pay(p){}
//主函數(shù)
int main()
{
  Student stud1(1001,"Li",87.5);//定義Student類(lèi)對(duì)象stud1
  Graduate grad1(2001,"Wang",98.5,563.5);//定義Graduate類(lèi)對(duì)象grad1
  Student *pt=&stud1;//定義指向基類(lèi)對(duì)象的指針變量pt
  pt->display( );
  pt=&grad1;
  pt->display( );
  return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果如下：

num:1001(stud1的數(shù)據(jù))
name:Li
score:87.5

num:2001 (grad1中基類(lèi)部分的數(shù)據(jù))
name:wang
score:98.5

假如想輸出grad1的全部數(shù)據(jù)成員，當(dāng)然也可以采用這樣的方法：通過(guò)對(duì)象名調(diào)用display函數(shù)，如grad1.display()，或者定義一個(gè)指向Graduate類(lèi)對(duì)象的指針變量ptr，然后使ptr指向gradl，再用ptr->display()調(diào)用。這當(dāng)然是可以的，但是如果該基類(lèi)有多個(gè)派生類(lèi)，每個(gè)派生類(lèi)又產(chǎn)生新的派生類(lèi)，形成了同一基類(lèi)的類(lèi)族。每個(gè)派生類(lèi)都有同名函數(shù)display，在程序中要調(diào)用同一類(lèi)族中不同類(lèi)的同名函數(shù)，就要定義多個(gè)指向各派生類(lèi)的指針變量。這兩種辦法都不方便，它要求在調(diào)用不同派生類(lèi)的同名函數(shù)時(shí)采用不同的調(diào)用方式，正如同前面所說(shuō)的那樣，到不同的目的地要乘坐指定的不同的公交車(chē)，一一 對(duì)應(yīng)，不能搞錯(cuò)。如果能夠用同一種方式去調(diào)用同一類(lèi)族中不同類(lèi)的所有的同名函數(shù)，那就好了。

用虛函數(shù)就能順利地解決這個(gè)問(wèn)題。下面對(duì)程序作一點(diǎn)修改，在Student類(lèi)中聲明display函數(shù)時(shí)，在最左面加一個(gè)關(guān)鍵字virtual，即

  virtual void display( );

這樣就把Student類(lèi)的display函數(shù)聲明為虛函數(shù)。程序其他部分都不改動(dòng)。再編譯和運(yùn)行程序，請(qǐng)注意分析運(yùn)行結(jié)果：

num:1001(stud1的數(shù)據(jù))
name:Li
score:87.5

num:2001 (grad1中基類(lèi)部分的數(shù)據(jù))
name:wang
score:98.5
pay=1200 (這一項(xiàng)以前是沒(méi)有的)

看！這就是虛函數(shù)的奇妙作用?，F(xiàn)在用同一個(gè)指針變量（指向基類(lèi)對(duì)象的指針變量），不但輸出了學(xué)生stud1的全部數(shù)據(jù)，而且還輸出了研究生grad1的全部數(shù)據(jù)，說(shuō)明已調(diào)用了grad1的display函數(shù)。用同一種調(diào)用形式“pt->display()”，而且pt是同一個(gè)基類(lèi)指針，可以調(diào)用同一類(lèi)族中不同類(lèi)的虛函數(shù)。這就是多態(tài)性，對(duì)同一消息，不同對(duì)象有 不同的響應(yīng)方式。

說(shuō)明：本來(lái)基類(lèi)指針是用來(lái)指向基類(lèi)對(duì)象的，如果用它指向派生類(lèi)對(duì)象，則進(jìn)行指針類(lèi)型轉(zhuǎn)換，將派生類(lèi)對(duì)象的指針先轉(zhuǎn)換為基類(lèi)的指針，所以基類(lèi)指針指向的是派生類(lèi)對(duì)象中的基類(lèi)部分。在程序修改前，是無(wú)法通過(guò)基類(lèi)指針去調(diào)用派生類(lèi)對(duì)象中的成員函數(shù)的。虛函數(shù)突破了這一限制，在派生類(lèi)的基類(lèi)部分中，派生類(lèi)的虛函數(shù)取代了基類(lèi)原來(lái)的虛函數(shù)，因此在使基類(lèi)指針指向派生類(lèi)對(duì)象后，調(diào)用虛函數(shù)時(shí)就調(diào)用了派生類(lèi)的虛函數(shù)。 要注意的是，只有用virtual聲明了虛函數(shù)后才具有以上作用。如果不聲明為虛函數(shù)，企圖通過(guò)基類(lèi)指針調(diào)用派生類(lèi)的非虛函數(shù)是不行的。

虛函數(shù)的以上功能是很有實(shí)用意義的。在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)用到類(lèi)的繼承，目的是保留基類(lèi)的特性，以減少新類(lèi)開(kāi)發(fā)的時(shí)間。但是，從基類(lèi)繼承來(lái)的某些成員函數(shù)不完全適應(yīng)派生類(lèi)的需要，例如在例中，基類(lèi)的display函數(shù)只輸出基類(lèi)的數(shù)據(jù)，而派生類(lèi)的display函數(shù)需要輸出派生類(lèi)的數(shù)據(jù)。過(guò)去我們?cè)?jīng)使派生類(lèi)的輸出函數(shù)與基類(lèi)的輸出函數(shù)不同名（如display和display1），但如果派生的層次多，就要起許多不同的函數(shù)名，很不方便。如果采用同名函數(shù)，又會(huì)發(fā)生同名覆蓋。

利用虛函數(shù)就很好地解決了這個(gè)問(wèn)題?？梢钥吹剑寒?dāng)把基類(lèi)的某個(gè)成員函數(shù)聲明為虛函數(shù)后，允許在其派生類(lèi)中對(duì)該函數(shù)重新定義，賦予它新的功能，并且可以通過(guò)指向基類(lèi)的指針指向同一類(lèi)族中不同類(lèi)的對(duì)象，從而調(diào)用其中的同名函數(shù)。由虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)多態(tài)性就是：同一類(lèi)族中不同類(lèi)的對(duì)象，對(duì)同一函數(shù)調(diào)用作出不同的響應(yīng)。

虛函數(shù)的使用方法是：
在基類(lèi)用virtual聲明成員函數(shù)為虛函數(shù)。
這樣就可以在派生類(lèi)中重新定義此函數(shù)，為它賦予新的功能，并能方便地被調(diào)用。在類(lèi)外定義虛函數(shù)時(shí)，不必再加virtual。
在派生類(lèi)中重新定義此函數(shù)，要求函數(shù)名、函數(shù)類(lèi)型、函數(shù)參數(shù)個(gè)數(shù)和類(lèi)型全部與基類(lèi)的虛函數(shù)相同，并根據(jù)派生類(lèi)的需要重新定義函數(shù)體。
C++規(guī)定，當(dāng)一個(gè)成員函數(shù)被聲明為虛函數(shù)后，其派生類(lèi)中的同名函數(shù)都自動(dòng)成為虛函數(shù)。因此在派生類(lèi)重新聲明該虛函數(shù)時(shí)，可以加virtual，也可以不加，但習(xí)慣上一般在每一層聲明該函數(shù)時(shí)都加virtual，使程序更加清晰。如果在派生類(lèi)中沒(méi)有對(duì)基類(lèi)的虛函數(shù)重新定義，則派生類(lèi)簡(jiǎn)單地繼承其直接基類(lèi)的虛函數(shù)。
定義一個(gè)指向基類(lèi)對(duì)象的指針變量，并使它指向同一類(lèi)族中需要調(diào)用該函數(shù)的對(duì)象。
通過(guò)該指針變量調(diào)用此虛函數(shù)，此時(shí)調(diào)用的就是指針變量指向的對(duì)象的同名函數(shù)。
通過(guò)虛函數(shù)與指向基類(lèi)對(duì)象的指針變量的配合使用，就能方便地調(diào)用同一類(lèi)族中不同類(lèi)的同名函數(shù)，只要先用基類(lèi)指針指向即可。如果指針不斷地指向同一類(lèi)族中不同類(lèi)的對(duì)象，就能不斷地調(diào)用這些對(duì)象中的同名函數(shù)。這就如同前面說(shuō)的，不斷地告訴出租車(chē)司機(jī)要去的目的地，然后司機(jī)把你送到你要去的地方。

需要說(shuō)明；有時(shí)在基類(lèi)中定義的非虛函數(shù)會(huì)在派生類(lèi)中被重新定義(如例中的area函數(shù))，如果用基類(lèi)指針調(diào)用該成員函數(shù)，則系統(tǒng)會(huì)調(diào)用對(duì)象中基類(lèi)部分的成員函數(shù)；如果用派生類(lèi)指針調(diào)用該成員函數(shù)，則系統(tǒng)會(huì)調(diào)用派生類(lèi)對(duì)象中的成員函數(shù)，這并不是多態(tài)性行為(使用的是不同類(lèi)型的指針)，沒(méi)有用到虛函數(shù)的功能。

以前介紹的函數(shù)重載處理的是同一層次上的同名函數(shù)問(wèn)題，而虛函數(shù)處理的是不同派生層次上的同名函數(shù)問(wèn)題，前者是橫向重載，后者可以理解為縱向重載。但與重載不同的是:同一類(lèi)族的虛函數(shù)的首部是相同的，而函數(shù)重載時(shí)函數(shù)的首部是不同的(參數(shù)個(gè)數(shù)或類(lèi)型不同)。

在什么情況下應(yīng)當(dāng)聲明虛函數(shù)
使用虛函數(shù)時(shí)，有兩點(diǎn)要注意：
只能用virtual聲明類(lèi)的成員函數(shù)，使它成為虛函數(shù)，而不能將類(lèi)外的普通函數(shù)聲明為虛函數(shù)。因?yàn)樘摵瘮?shù)的作用是允許在派生類(lèi)中對(duì)基類(lèi)的虛函數(shù)重新定義。顯然，它只能用于類(lèi)的繼承層次結(jié)構(gòu)中。
一個(gè)成員函數(shù)被聲明為虛函數(shù)后，在同一類(lèi)族中的類(lèi)就不能再定義一個(gè)非virtual的但與該虛函數(shù)具有相同的參數(shù)(包括個(gè)數(shù)和類(lèi)型)和函數(shù)返回值類(lèi)型的同名函數(shù)。

根據(jù)什么考慮是否把一個(gè)成員函數(shù)聲明為虛函數(shù)呢？主要考慮以下幾點(diǎn)：
首先看成員函數(shù)所在的類(lèi)是否會(huì)作為基類(lèi)。然后看成員函數(shù)在類(lèi)的繼承后有無(wú)可能被更改功能，如果希望更改其功能的，一般應(yīng)該將它聲明為虛函數(shù)。
如果成員函數(shù)在類(lèi)被繼承后功能不需修改，或派生類(lèi)用不到該函數(shù)，則不要把它聲明為虛函數(shù)。不要僅僅考慮到要作為基類(lèi)而把類(lèi)中的所有成員函數(shù)都聲明為虛函數(shù)。
應(yīng)考慮對(duì)成員函數(shù)的調(diào)用是通過(guò)對(duì)象名還是通過(guò)基類(lèi)指針或引用去訪問(wèn)，如果是通過(guò)基類(lèi)指針或引用去訪問(wèn)的，則應(yīng)當(dāng)聲明為虛函數(shù)。
有時(shí)，在定義虛函數(shù)時(shí)，并不定義其函數(shù)體，即函數(shù)體是空的。它的作用只是定義了一個(gè)虛函數(shù)名，具體功能留給派生類(lèi)去添加。

需要說(shuō)明的是：使用虛函數(shù)，系統(tǒng)要有一定的空間開(kāi)銷(xiāo)。當(dāng)一個(gè)類(lèi)帶有虛函數(shù)時(shí)，編譯系統(tǒng)會(huì)為該類(lèi)構(gòu)造一個(gè)虛函數(shù)表(virtual function table，簡(jiǎn)稱(chēng)vtable)，它是一個(gè)指針數(shù)組，存放每個(gè)虛函數(shù)的入口地址。系統(tǒng)在進(jìn)行動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)時(shí)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)是很少的，因此，多態(tài)性是高效的。