C++ 虛函數深度解析：多態實現機制、虛析構與純虛函數

虛函數的核心作用

虛函數實現動態多態：基類指針/引用指向派生類對象時，調用虛函數會根據對象真實類型在運行期綁定到正確的函數實現，而非編譯期靜態綁定。

虛函數表與指針

• 編譯期為每個含虛函數的類建立虛函數表，存放虛函數地址。
• 每個對象內部隱含一個 vptr 指向其類的虛表。
• 調用虛函數時：obj->vptr[index]()，實現動態分派。

非虛函數的靜態綁定問題

class Student { public: void display() { /* ... */ } };
class Graduate : public Student { public: void display() { /* ... */ } };

Student* p = new Graduate;
p->display(); // 輸出 Student::display，因為非虛函數靜態綁定

加上 virtual 後，同樣代碼輸出 Graduate::display。

何時應聲明虛函數？

1. 類作為基類，且派生類可能改變行為。
2. 需透過基類指針/引用調用該函數。
3. 函數在基類無具體實現，僅定義介面（純虛函數）。

虛析構函數：必須虛擬的析構函數

基類指針 delete 派生類對象時，若析構函數非虛，僅調用基類析構函數，派生類部分資源洩漏。

class Base { public: virtual ~Base() {} }; // 必須 virtual
class Derived : public Base { /* ... */ };

Base* p = new Derived;
delete p; // 正確調用 Derived::~Derived() -> Base::~Base()

規則：基類析構函數一旦聲明 virtual，所有派生類析構函數自動成為虛函數。

純虛函數與抽象類

class Shape {
public:
    virtual void draw() = 0; // 純虛函數
    virtual ~Shape() {}
};

• 含純虛函數的類為抽象類，不可實例化。
• 派生類必須實現所有純虛函數，否則仍為抽象類。
• 純虛函數可有函數體（罕見），供派生類調用 Base::func()。

虛函數的限制

• 構造函數不能是虛函數：構造期間對象類型尚未確定，vptr 未初始化完成。
• 內聯函數通常不會被虛調用內聯：編譯器無法在編譯期確定具體調用目標。
• 靜態成員函數不能是虛函數：無 this 指針，無法關聯對象。
• 友元函數不能是虛函數：非類成員，無法納入虛表。