在C++面向對象編程中，多態性是其三大特性之一（封裝、繼承和多態）。為了實現多態性，C++引入了虛函數（Virtual Function）和純虛函數（Pure Virtual Function）的概念。本文將深入探討虛函數和純虛函數的原理和應用，幫助讀者更好地理解它們在C++中的作用。

一、虛函數（Virtual Function）

1.1 定義和作用

虛函數是在基類中使用關鍵字 virtual 聲明的成員函數，它允許派生類對其進行重寫（Override），實現運行時多態。當通過基類指針或引用調用虛函數時，實際調用的是對象類型對應的派生類中的函數，這個過程稱為動態綁定（Dynamic Binding）或晚綁定（Late Binding）。

1.2 實現原理

虛函數的實現原理基于虛函數表（Virtual Table，簡稱VTable）。每個使用虛函數的類都有一個虛函數表，該表是一個函數指針數組，存儲了指向類的虛函數的指針。類的每個實例都包含一個指向其虛函數表的指針（vptr），通過這個指針可以找到并調用正確的虛函數實現。

當派生類覆蓋（重寫）基類的虛函數時，派生類的虛函數表中相應位置的函數指針會被更新為指向派生類中的函數。如果派生類沒有重寫虛函數，則派生類的虛函數表中會保留指向基類虛函數的指針。

1.3 示例代碼

#include <iostream>
using namespace std;class Base {
public:virtual void show() {cout << "Base class show" << endl;}
};class Derived : public Base {
public:void show() override {cout << "Derived class show" << endl;}
};int main() {Base* b = new Derived();b->show(); // 輸出：Derived class showdelete b;return 0;
}

1.4 虛函數的重寫

虛函數的重寫（Override）是面向對象編程中實現多態性的一種方式。虛函數允許派生類根據需要改變或擴展基類中的行為。這里，我們將詳細探討虛函數的重寫，包括它的定義、規則以及一些注意事項。

定義

虛函數重寫指的是派生類中提供一個函數版本，該版本與基類中具有相同名稱、相同返回類型和相同參數列表的虛函數相匹配。通過這種方式，派生類可以提供自己特定的實現，替換或擴展基類的行為。

規則

1. 函數簽名必須匹配：要重寫基類中的虛函數，派生類中的函數必須具有相同的名稱、返回類型和參數列表。
2. 基類函數必須是虛函數：只有虛函數可以被重寫。如果基類中的函數不是虛函數，派生類中相同簽名的函數會隱藏（而非重寫）基類中的函數。
3. 訪問權限可以不同：虛函數在派生類中的訪問級別（public、protected、private）可以與基類中的不同，但這會影響到函數的訪問性。
4. 使用 override 關鍵字（C++11及以上）：雖然不是強制的，但建議在派生類中重寫虛函數時使用 override 關鍵字，這有助于編譯器檢查函數簽名是否正確匹配，避免潛在的錯誤。

注意事項

• 析構函數應該是虛的：如果一個類有可能被繼承，并且通過基類指針來刪除派生類對象，那么基類的析構函數應該是虛的。這確保了通過基類指針刪除派生類對象時，能夠正確地調用派生類的析構函數。
• 構造函數不能是虛函數：在C++中，構造函數不能被聲明為虛函數。因為構造函數是用來創建對象的，而虛函數的調用需要通過對象的虛函數表，這在對象構造階段還未完全建立。
• 使用 final 關鍵字防止進一步重寫：在某些情況下，你可能希望禁止進一步重寫某個虛函數。C++11引入了final關鍵字，可以用來阻止派生類重寫特定的虛函數。

示例

#include <iostream>class Base {
public:virtual void print() const {std::cout << "Base class print function" << std::endl;}virtual ~Base() {} // 虛析構函數
};class Derived : public Base {
public:void print() const override { // 使用override確保正確重寫std::cout << "Derived class print function" << std::endl;}
};int main() {Base* b = new Derived();b->print(); // 輸出：Derived class print functiondelete b; // 正確調用派生類析構函數return 0;
}

在上述示例中，Derived 類重寫了 Base 類中的 print 函數，并且基類的析構函數被聲明為虛函數，確保了通過基類指針刪除派生類對象時能夠正確調用派生類的析構函數。

通過理解和正確應用虛函數的重寫，可以充分利用C++的多態性，設計出靈活且易于維護的面向對象程序。

1.5 基類和派生類的虛函數表

當涉及到繼承時，虛函數表（vtable）的處理方式會稍微復雜一些，但關鍵點在于每個類都有自己的虛函數表，而不是只有一個。這意味著，如果有派生類繼承自基類，并且這些類中包含虛函數，那么每個類將擁有各自獨立的虛函數表。下面我們來詳細解釋這個過程。

1. 基類：在基類中，編譯器會為其創建一個虛函數表，這個表包含了基類中所有虛函數的地址。如果派生類沒有覆蓋（重寫）這些虛函數，派生類對象的虛函數表會復制基類虛函數表中相應的條目。

2. 派生類：當派生類覆蓋（重寫）基類中的虛函數時，派生類的虛函數表中對應位置的函數指針會被更新為指向派生類中的函數實現。如果派生類引入了新的虛函數，這些新的虛函數也會被加入到派生類的虛函數表中。

3. 多重繼承：在多重繼承的情況下，每個基類都會有自己的虛函數表。派生類對象會包含多個虛函數表指針，每個指針指向對應基類的虛函數表。如果派生類覆蓋了某個基類的虛函數，那么相關基類虛函數表中的條目會被更新為指向派生類中的實現。

示例理解

考慮以下示例：

class Base {
public:virtual void func1() { /* 實現 */ }virtual void func2() { /* 實現 */ }
};class Derived : public Base {
public:void func1() override { /* 新實現 */ }virtual void func3() { /* 新虛函數 */ }
};

• Base 類有自己的虛函數表，包含 func1 和 func2。
• Derived 類有自己的虛函數表，其中 func1 的條目會被更新為指向 Derived::func1，func2 保持不變（因為它沒有被Derived重寫），并且會添加一個新的條目指向 func3。

二、純虛函數（Pure Virtual Function）

2.1 定義和作用

純虛函數是在基類中聲明但不實現的虛函數，其聲明方式是在函數聲明的結尾處添加 = 0。類中如果包含至少一個純虛函數，則該類成為抽象類（Abstract Class），不能實例化對象。

純虛函數的主要作用是定義接口規范，強制要求派生類必須實現這些函數，從而實現接口的統一和標準化。

2.2 示例代碼

#include <iostream>
using namespace std;class Shape {
public:virtual void draw() = 0; // 純虛函數
};class Circle : public Shape {
public:void draw() override {cout << "Drawing a circle" << endl;}
};int main() {Shape* shape = new Circle();shape->draw(); // 輸出：Drawing a circledelete shape;return 0;
}

三、總結

虛函數和純虛函數是C++實現多態性的關鍵機制。通過虛函數，可以實現基類指針或引用調用派生類的成員函數；而純虛函數則定義了一個接口規范，使得派生類必須實現特定的函數。這兩種機制在C++面向對象編程中發揮著至關重要的作用。

理解虛函數和純虛函數的工作原理及其在C++中的應用，對于深入學習和掌握面向對象編程具有重要意義。希望本文能夠幫助讀者更好地理解這一概念，提升C++編程能力。