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虚函数与多态 ​

更新时间：2026-08-27。本文是 languages/cpp/ 主题入门层第 28 篇（存量 class-object 拆解迁入）。虚函数让"调用哪个函数"从编译期推迟到运行期：一个 Shape* 指针，运行时才知道指向的是 Circle 还是 Square，然后调对应的 area。这就是多态。本篇讲透 virtual 的用法和它背后的虚表。

本文要回答的问题 ​

  • 多态是什么？没有 virtual 会怎样？
  • 虚表（vtable）是什么？多态的开销在哪？
  • 为什么基类析构函数必须是虚的？

一、没有 virtual 的继承：按"指针类型"调 ​

cpp
class Shape {
public:
    double area() const { return 0; }       // 普通成员函数
};

class Circle : public Shape {
    double r_;
public:
    Circle(double r) : r_(r) {}
    double area() const { return 3.14159 * r_ * r_; }
};

Shape* s = new Circle(5.0);
std::cout << s->area();      // 输出 0 —— 调的是 Shape::area！

s 是 Shape*，编译器编译这行时只看得到指针类型：调 Shape::area，输出 0。虽然 s 实际指向 Circle，但普通成员函数的调用在编译期就定死了——这叫静态绑定。

二、加了 virtual：运行时才决定 ​

cpp
class Shape {
public:
    virtual double area() const { return 0; }   // 虚函数
};

class Circle : public Shape {
    double r_;
public:
    Circle(double r) : r_(r) {}
    double area() const override { return 3.14159 * r_ * r_; }   // 重写
};

class Square : public Shape {
    double s_;
public:
    Square(double s) : s_(s) {}
    double area() const override { return s_ * s_; }
};

Shape* shapes[] = { new Circle(5.0), new Square(3.0) };
for (auto* s : shapes) {
    std::cout << s->area();   // 分别调 Circle::area 和 Square::area
}

virtual 把调用从"编译期按指针类型"改成"运行期按实际对象"——动态绑定，这就是多态。s->area() 执行时，通过 s 指向的对象找到它真正的类，调那个类的 area。

配套关键字 override（C++11）：声明"我在重写基类的虚函数"，写错签名编译器立刻报错——防止把 area() 写成 aree() 这种静默错误。

三、虚表：多态的底层 ​

动态绑定靠**虚表（vtable）**实现。带虚函数的类，每个对象里藏一个隐藏指针 vptr，指向一张"函数指针表"：

虚函数与多态 示意图

每个具体类一张虚表，表里是"这个类各个虚函数的真实地址"。调用虚函数 = 一次间接跳转（取 vptr → 查表 → 跳转）。代价：

  1. 每个带虚函数的对象多一个指针（8 字节）的大小；
  2. 每次虚调用多一次间接寻址（比直接调用略慢，分支预测也难命中——L4 篇有讲）；
  3. 虚函数基本无法内联。

所以"该用多态时用多态，别为没用处的 virtual 白付开销"。

四、虚析构函数：多态下的安全退出 ​

cpp
class Shape {
public:
    virtual ~Shape() {}       // 虚析构！必须的
};

Shape* s = new Circle(5.0);
delete s;                     // 不虚的话：只调 Shape::~Shape，Circle 的资源全漏

基类析构函数必须是虚的。否则 delete s（s 是 Shape*）只调用 Shape::~Shape，Circle 自己的清理逻辑（释放它的成员资源）根本不执行。这是多态最常见的资源泄漏源。规则一句话：有虚函数的类，析构函数写成虚的。

五、和 C 对比 ​

对比项CC++
多态函数指针结构体手搓virtual 语言级
动态分发手动 if/else 判断类型虚表自动
开销函数指针间接调用同样有间接调用
抽象接口手搓 vtable 结构体virtual + 接口类（30 篇）

C 也能做多态——struct 里塞函数指针、自己实现 vtable（内核/驱动这么干），但全是手工活，错一处就崩。C++ 把这件事标准化了，代价是每个虚对象多 8 字节和一个间接跳转。

六、与本站主线衔接 ​

一句话总结 ​

virtual 把成员函数的调用从编译期静态绑定变成运行期动态绑定，基类指针/引用调用的虚函数会在运行时按实际对象分发——这就是多态；底层是对象里藏 vptr 指向虚表，代价是每个对象 +8 字节、每次虚调用多一次间接跳转且难以内联；有虚函数的类，析构函数务必写 virtual，否则 delete 基类指针会跳过派生类的清理。

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