题2-虚函数的常见应用场景
上一节我们讲了虚函数的作用，同时也演示了虚函数发挥作用的路径之一：
- 一个派生类对象（设为o），调用一个基类方法(设为m)；
- 该基类方法内，调用了一个虚函数 (设为v)；
- 该虚函数，在派生类中有 override 实现 (设为 ov)。
这种应用场景，通常被称为 “框架式基类”，常用于“做一件事的基本步骤是确定的，只是每一个小步骤，不同类型（就是派生类）的实体做起来会有一些变化”这样的场景。
比如《白话C++》里的那道面向对象作业题：三个工厂计算员工月薪，都走以下框架：
- 先计算员工的基本月薪
- 再统计员工的本月请假扣薪数；
- 用第1步结果减第2步结果，得到本月应发薪水
这个过程，就可以在基类里，写一个非虚的成员函数，里面调用 “计算基本月薪 ()” 和 “统计员工请假扣薪 ()” 即可。而后两者，就必须使用虚函数；因为三个类型的工厂，对于如何计算员工基本月薪，以及如何统计员工本月请假扣薪总数，存在很大的不同：
- 以“计算基本月薪”为例，甲工厂是固定金额，乙工厂是计件金额，丙工厂是依据本厂本月销售总额，动态算出每个人的基本月薪……
- 以“统计员工请假扣薪”为例，甲工厂员工每月两天带薪病假，乙工厂可能是一天带薪病假，一天带薪事假，丙工厂则是全年允许十五天带薪假……
本课作业提供了这道题，大家可以练习下。
虚函数发挥作用的另一个路径是：
- 一个类型为基类的 指针（或引用）……
- 实质指向或绑定到一个派生类对象上；
- 该对象直接或间接调用了一个虚函数；
- 该虚函数，在派生类中有 override 实现。
还是以“射击游戏” 为例，这回我们让需求更简单一些：用一个数据容器，存储一堆各种各样的“会飞的东西” （未来的射击目标） ，然后让它们一个个飞出来“秀”一下。
#include <iostream>
using namespace std;
class 会飞的东西
{
public:
virtual ~会飞的东西 () {};
virtual void 飞() = 0; // 纯虚函数
};
class 鸭子 : public 会飞的东西
{
public:
void 飞() override { cout << "我拍着翅膀飞呀飞..." << endl; }
};
class 喷气机 : public 会飞的东西
{
public:
void 飞() override { cout << "我屁股着火地飞呀飞..." << endl; }
};
class UFO : public 会飞的东西
{
public:
void 飞() override { cout << "我无头苍蝇似地窜着飞..." << endl; }
};
然后，我们想把不同的“会飞的东西”，放进同一容器，比如一个 std::list<T>；此时，T得是基类的指针，才方便放不同的派生类对象。
#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;
/* 上面的 类定义 */
int main()
{
list<会飞的东西*> lst =
{
new 鸭子, new 喷气机, new UFO
};
for (会飞的东西* p : lst)
{
p->飞();
}
}
注意 for 的循环变量 p ，它的类型是 “会飞的东西 *” ，但一旦调用（直接或间接）到虚函数，此处是直接调用 “ 飞() ”，则要优先走派生的版本（如果有），因此得到运行结果是：
我拍着翅膀飞呀飞...
我屁股着火地飞呀飞...
我无头苍蝇似地窜着飞...
这种现象（或效果），在语义上就被称为“多态”。直面含义是：看起来是普通的基类指针（或引用），但是在运行期间，依据它实质指向（绑定)到哪个派生类，就展现出哪个派生类的“形态”。
题3-发挥虚函数作用的语法
如果对象本来就是派生类类型，那么，此时它展现出派生类的形态，那是天经地义的，不被视为多态的表现，比如：
auto ufo1 = new UFO;
ufo1->飞(); // 我无头苍蝇似地窜着飞...
// 或者
UFO ufo2;
ufo2.飞(); // 也不算多态
此时，“飞（）” 是不是虚的，都不影响 ufo1 或 ufo2 调用 class UFO 自己的实现版本。
除了基类指针指向派生类对象，基类引用绑定到派生类对象，同样可实现多态效果：
UFO ufo;
会飞的东西& ur = ufo;
ur.飞(); // 我无头苍蝇似地窜着飞...
引用形式的多态，通常用在函数参数传递上：
void 体检(会飞的东西& f) // f 是一个引用
{
cout << "为证明体能，请一口气飞三分钟！" << endl;
while( 时间不够三分钟 )
{
f.飞(); // 虚函数发挥作用
}
}
都2023年了，面试官怎么会放过这一老一新的问题结合？问：智能指针会影响虚函数的作用吗？
答：智能指针（unique_ptr、shared_ptr……）包装并不影响虚函数作用发挥：
auto p = make_unique<会飞的东西>(new UFO);
p->飞(); // 走的是 UFO 的 “飞()”
现象是清楚的，原理是简单的：智能指针最终调用成员函数，无论是虚函数还是非虚函数，都还是要经由存储在智能指针内部的裸指针发起。
题4-虚函数的实现机制
C++ 标准并没有规定虚函数在底层应该如何实现。同时，我个人也不认为不了解C++虚函数的底层实现，对现实编程会有多大的影响。
学C++需要去深究它的底层实现，这大概是当年编程行业“开卷”的最早表现之一。
有一些面试官挺爱这些问题，所以我们也讲讲；并且我们不要人云亦云真的去谈太多特定的实现细节，我们从C语言的函数指针说起。
C++当年起步，就基于C语言。C语言中有很多优秀的惯用法，C++继承并且直接在语言层面加以实现——这样就可以让更多的程序员享用来自C语言的优秀惯用法。
C语言需不需要多态？当然也需要。C语言采用 结构+函数指针来实现多态；C++看到了这一点，并且干脆通过“虚函数”的语法点，从而实现，我们只需写一个“virtual”，就能让编译器帮我们在底层用C的方法加以提供虚函数的机制。
我们给一个超简化版的，纯C语言的多态实现例子：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef void (* PFlyFunc) ();
typedef struct Flyable
{
PFlyFunc fly;
} Flyable;
void UFOFly()
{
printf("我无头飞！");
}
typedef struct UFO
{
PFlyFunc fly;
} UFO;
UFO* MakeUFO()
{
UFO *ufo = malloc(sizeof(UFO));
ufo->fly = UFOFly; // 手工指定函数指针的指向
return ufo;
}
int main()
{
Flyable *pf =(Flyable *) MakeUFO();
pf->fly();
free(pf);
return 0;
}
注意，“基类” Flyable 和 “派生类” UFO，都有一个数据成员：fly，这是一个函数指针，类型都是 “PFlyFunc”；并且，该成员都是结构体中的第一个数据成员（类内偏移一致）。基类 Flyable 的 fly 未初始化，可理解为指向为空，这就类似于 C++ 中基类的纯虚函数；而派生类 UFO 则借助 MakeUFO 函数，程序员手工将它的 fly 指向函数：UFOFly()；这就相当于派生类提供了自己的“fly”实现。
这个版本的C模拟多态实现，至少有两个缺点：
- 缺点1：必须由程序员手工设置好各个类（结构）中的函数指针的指向。
- 缺点2：不管基类派生类，由它们创建出来的每个对象，都不得不拥有 fly 这个函数指针。这显然是在浪费内存。以派生类 UFO 为例。理论上，由 UFO 实例化出一万个对象，它们的 fly 都需要指向同一个函数（例中的 UFOFly）才对。当前，我们只举了一个“虚函数”为例，如果一个类（结构）需要有更多个虚函数，那么内存浪费的问题就会加剧。
C++的虚函数，就是让C++编译器来帮我们写代码，编译器不会忘记写代码，缺点1一举解决。
缺点2怎么解决呢？也好办。为每个有“多态”需求的类型（基类、派生类）额外生成一张函数地址表，再将对应用虚函数地址，一个个放进这张表；当需要调用时，先到这张表查询出所要调用函数的地址，再依据函数地址（相当于函数指针）调用实际函数。
比如，上面纯C例子中的 UFO 结构，它需要有一个“虚函数” fly，实质指向 UFOFly这个函数，那么我们就将后者的地址，存放到为 UFO struct 专门生成 一张数据表的第一行；之后需要调用 fly 方法时，通过该表查出 UFOFly 的地址，然后调用它。
假设例中的 Flyable 和 UFO 后面又多了一个“虚函数”，叫 “show”；并且，UFO 中的 show 函数需指向 UFOShow() 函数，那么，UFO 的 “ 虚函数 ”表，大概长这样子：
| 编号 | 函数地址 |
|---|---|
| ＃1 | &UFOFly |
| ＃2 | &UFOShow |
编号是依据 函数在类（结构）中的声明次序决定的，fly 排第一，show 排第二。当我们代码写 ufo->fly()时，你大可以理解为：在编译器眼里，它将变成：“ufo 的1号虚函数调用……”，然后它就去找表中的第一行的第二列，找到 &UFOFly——实际肯定是一个数字，表示函数地址。
注意，整张表是对应 UFO 这个结构的；也就是说，所有 UFO 实例化出的对象，都拥有共同的一张虚函数表。这就解决了上面说的缺点2：内存浪费。当然，所有的UFO对象要如何才能知道这张表在哪里呢？这就迫使所有UFO对象仍然必须至少拥有一个指针，用于指向UFO类的虚函数表。
显然，假设整个类只有一个虚函数，那么，为这个类的额外生成虚函数表就只存放了一个函数地址；而这个类的所有对象，又都必须拥有一个指针用于记录函数表的地址……这时候，从节约的内存的角度考虑，还不如直接让这个指针指向唯一的虚函数地址。但是，如果一个类拥有比较多（比如三、四个）虚函数，大多数C++编译器所采用的，基于虚函数表的方案（再次强调，这并不是标准），就显得有利可图了。
题5-虚函数的性能影响
当然，有利可图指的是内存节约，在性能上，要调用一个函数，需要先找到虚函数表，再从虚函数中查出对应的函数地址，然后才能开始调用……尽管前面两个步骤复杂度都是O（1），但两次地址跳转，难免损耗了一点性能——在非极端应用下，完全可以忽略。另外，这样的性能损耗，仅发生成上面的说的多态语义成立的情况下；比如，下面的代码就不存在虚函数带来的性能损耗：
UFO ufo;
ufo.飞(); // 性能相当于非虚函数调用
按理说，ufo 要调用 飞() 的方法，一样要借助虚函数以查到“飞()”函数地址，一样会有两次跳转，为什么能够放心地说，这个过程不损耗性能呢？这是因为编译器不傻，它发现 ufo 就是 UFO，所以遇上这类非多态的虚函数调用，它会在编译其内，就直接查出函数地址。