虚函数的作用和实现原理，什么是虚函数,有什么作用?

1、C++的多态分为静态多态（编译时多态）和动态多态（运行时多态）两大类。静态多态通过重载、模板来实现；动态多态就是通过本文的主角虚函数来体现的。

2、虚函数的实现原理:包括虚函数表、虚函数指针等。

3、虚函数的作用：当调用一个虚函数时，被执行的代码必须和调用函数的对象的动态类型相一致。编译器需要做的就是如何高效的实现提供这种特性。不同编译器实现细节也不相同。大多数编译器通过vtbl（virtual table）和vptr（virtual table pointer）来实现的。 当一个类声明了虚函数或者继承了虚函数，这个类就会有自己的vtbl。vtbl实际上就是一个函数指针数组，有的编译器用的是链表，不过方法都是差不多。vtbl数组中的每一个元素对应一个函数指针指向该类的一个虚函数，同时该类的每一个对象都会包含一个vptr，vptr指向该vtbl的地址。

4、结论：每个声明了虚函数或者继承了虚函数的类，都会有一个自己的vtbl；同时该类的每个对象都会包含一个vptr去指向该vtbl；虚函数按照其声明顺序放于vtbl表中, vtbl数组中的每一个元素对应一个函数指针指向该类的虚函数；如果子类覆盖了父类的虚函数，将被放到了虚表中原来父类虚函数的位置；在多继承的情况下，每个父类都有自己的虚表。子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。

衍生问题:为什么 C++里访问虚函数比访问普通函数慢?

1、单继承时性能差不多，多继承的时候会慢

2、调用性能方面：从前面虚函数的调用过程可知。当调用虚函数时过程如下（引自More Effective C++）：通过对象的 vptr 找到类的 vtbl。这是一个简单的操作,因为编译器知道在对象内 哪里能找到 vptr(毕竟是由编译器放置的它们)。因此这个代价只是一个偏移调整(以得到 vptr)和一个指针的间接寻址(以得到 vtbl)。找到对应 vtbl 内的指向被调用函数的指针。这也是很简单的, 因为编译器为每个虚函数在 vtbl 内分配了一个唯一的索引。这步的代价只是在 vtbl 数组内 的一个偏移。调用第二步找到的的指针所指向的函数。在单继承的情况下，调用虚函数所需的代价基本上和非虚函数效率一样，在大多数计算机上它多执行了很少的一些指令，所以有很多人一概而论说虚函数性能不行是不太科学的。在多继承的情况下，由于会根据多个父类生成多个vptr，在对象里为寻找 vptr 而进行的偏移量计算会变得复杂一些，但这些并不是虚函数的性能瓶颈。 虚函数运行时所需的代价主要是虚函数不能是内联函。这也是非常好理解的，是因为内联函数是指在编译期间用被调用的函数体本身来代替函数调用的指令，但是虚函数的“虚”是指“直到运行时才能知道要调用的是哪一个函数。”但虚函数的运行时多态特性就是要在运行时才知道具体调用哪个虚函数，所以没法在编译时进行内联函数展开。当然如果通过对象直接调用虚函数它是可以被内联，但是大多数虚函数是通过对象的指针或引用被调用的，这种调用不能被内联。 因为这种调用是标准的调用方式，所以虚函数实际上不能被内联。

3、占用空间方面：在上面的虚函数实现原理部分，可以看到为了实现运行时多态机制，编译器会给每一个包含虚函数或继承了虚函数的类自动建立一个虚函数表，所以虚函数的一个代价就是会增加类的体积。在虚函数接口较少的类中这个代价并不明显，虚函数表vtbl的体积相当于几个函数指针的体积，如果你有大量的类或者在每个类中有大量的虚函数,你会发现 vtbl 会占用大量的地址空间。但这并不是最主要的代价，主要的代价是发生在类的继承过程中，在上面的分析中，可以看到，当子类继承父类的虚函数时，子类会有自己的vtbl，如果子类只覆盖父类的一两个虚函数接口，子类vtbl的其余部分内容会与父类重复。这在如果存在大量的子类继承，且重写父类的虚函数接口只占总数的一小部分的情况下，会造成大量地址空间浪费。在一些GUI库上这种大量子类继承自同一父类且只覆盖其中一两个虚函数的情况是经常有的，这样就导致UI库的占用内存明显变大。 由于虚函数指针vptr的存在，虚函数也会增加该类的每个对象的体积。在单继承或没有继承的情况下，类的每个对象会多一个vptr指针的体积，也就是4个字节；在多继承的情况下，类的每个对象会多N个（N＝包含虚函数的父类个数）vptr的体积，也就是4N个字节。当一个类的对象体积较大时，这个代价不是很明显，但当一个类的对象很轻量的时候，如成员变量只有4个字节，那么再加上4（或4N）个字节的vptr，对象的体积相当于翻了1（或N）倍，这个代价是非常大的。

纯虚函数，为什么需要纯虚函数？

1、纯虚函数：是在基类中声明的虚函数，它在基类中没有定义，但要求任何派生类都要定义自己的实现方法。在基类中实现纯虚函数的方法是在函数原型后加“=0”。

virtual void funtion1()=0

2、原因：

1）为了方便使用多态特性，我们常常需要在基类中定义虚拟函数。

2）在很多情况下，基类本身生成对象是不合情理的。例如，动物作为一个基类可以派生出老虎、孔雀等子类，但动物本身生成对象明显不合常理。

为了解决上述问题，引入了纯虚函数的概念，将函数定义为纯虚函数（方法：virtual ReturnType Function()= 0;），则编译器要求在派生类中必须予以重写以实现多态性。同时含有纯虚拟函数的类称为抽象类，它不能生成对象。这样就很好地解决了上述两个问题。声明了纯虚函数的类是一个抽象类。所以，用户不能创建类的实例，只能创建它的派生类的实例。

3、定义纯虚函数的目的在于：使派生类仅仅只是继承函数的接口。

纯虚函数的意义，让所有的类对象（主要是派生类对象）都可以执行纯虚函数的动作，但类无法为纯虚函数提供一个合理的缺省实现。所以类纯虚函数的声明就是在告诉子类的设计者，“你必须提供一个纯虚函数的实现，但我不知道你会怎样实现它”。

为什么需要虚析构函数,什么时候不需要?父类的析构函数为什么要定义为虚函数？

一般情况下类的析构函数里面都是释放内存资源，而析构函数不被调用的话就会造成内存泄漏。这样做是为了当用一个基类的指针删除一个派生类的对象时，派生类的析构函数会被调用。当然，并不是要把所有类的析构函数都写成虚函数。因为当类里面有虚函数的时候，编译器会给类添加一个虚函数表，里面来存放虚函数指针，这样就会增加类的存储空间。所以，只有当一个类被用来作为基类的时候，才把析构函数写成虚函数。

内联函数、构造函数、静态成员函数可以是虚函数吗?

1、inline, static, constructor三种函数都不能带有virtual关键字。

1）inline是编译时展开，必须有实体；

2）static属于class自己的，也必须有实体；

3）virtual函数基于vtable（内存空间），constructor函数如果是virtual的，调用时也需要根据vtable寻找，但是constructor是virtual的情况下是找不到的，因为constructor自己本身都不存在了，创建不到class的实例，没有实例，class的成员（除了public static/protected static for friend class/functions，其余无论是否virtual）都不能被访问了。

2、虚函数实际上不能被内联:虚函数运行时所需的代价主要是虚函数不能是内联函数。这也是非常好理解的，是因为内联函数是指在编译期间用被调用的函数体本身来代替函数调用的指令，但是虚函数的“虚”是指“直到运行时才能知道要调用的是哪一个函数。”但虚函数的运行时多态特性就是要在运行时才知道具体调用哪个虚函数，所以没法在编译时进行内联函数展开。当然如果通过对象直接调用虚函数它是可以被内联，但是大多数虚函数是通过对象的指针或引用被调用的，这种调用不能被内联。 因为这种调用是标准的调用方式，所以虚函数实际上不能被内联。

3、构造函数不能是虚函数。而且，在构造函数中调用虚函数，实际执行的是父类的对应函数，因为自己还没有构造好, 多态是被disable的。

4、静态的对象是属于整个类的，不对某一个对象而言，同时其函数的指针存放也不同于一般的成员函数，其无法成为一个对象的虚函数的指针以实现由此带来的动态机制。

构造函数中可以调用虚函数吗?

最后，总结一下关于虚函数的一些常见问题：

1、虚函数是动态绑定的，也就是说，使用虚函数的指针和引用能够正确找到实际类的对应函数，而不是执行定义类的函数。这是虚函数的基本功能，就不再解释了。

2、构造函数不能是虚函数。而且，在构造函数中调用虚函数，实际执行的是父类的对应函数，因为自己还没有构造好, 多态是被disable的。

3、析构函数可以是虚函数，而且在一个复杂类结构中，这往往是必须的。

4、将一个函数定义为纯虚函数，实际上是将这个类定义为抽象类，不能实例化对象。

5、纯虚函数通常没有定义体，但也完全可以拥有。

6、 析构函数可以是纯虚的，但纯虚析构函数必须有定义体，因为析构函数的调用是在子类中隐含的。

7、非纯的虚函数必须有定义体，不然是一个错误。

8、派生类的override虚函数定义必须和父类完全一致。除了一个特例，如果父类中返回值是一个指针或引用，子类override时可以返回这个指针（或引用）的派生。例如，在上面的例子中，在Base中定义了 virtual Base* clone(); 在Derived中可以定义为 virtual Derived* clone()。可以看到，这种放松对于Clone模式是非常有用的。

为什么需要虚继承?虚继承实现原理解析？

1、虚拟继承是多重继承中特有的概念。虚拟基类是为解决多重继承而出现的。

如:类D继承自类B1、B2，而类B1、B2都继 承自类A，因此在类D中两次出现类A中的变量和函数。为了节省内存空间，可以将B1、B2对A的继承定义为虚拟继承，而A就成了虚拟基类,虚拟继承在一般的应用中很少用到，所以也往往被忽视，这也主要是因为在C++中，多重继承是不推荐的，也并不常用，而一旦离开了多重继承，虚拟继承就完全失去了存在的必要因为这样只会降低效率和占用更多的空间。

2、虚继承的特点：在任何派生类中的virtual基类总用同一个（共享）对象表示。