解析C++中的虚拟函数及其静态类型和动态类型

虚拟函数是C++语言引入的一个很重要的特性，它提供了“动态绑定”机制，正是这一机制使得继承的语义变得相对明晰。
（1）基类抽象了通用的数据及操作，就数据而言，如果该数据成员在各派生类中都需要用到，那么就需要将其声明在基类中；就操作而言，如果该操作对各派生类都有意义，无论其语义是否会被修改或扩展，那么就需要将其声明在基类中。
（2）有些操作，如果对于各个派生类而言，语义保持完全一致，而无需修改或扩展，那么这些操作声明为基类的非虚拟成员函数。各派生类在声明为基类的派生类时，默认继承了这些非虚拟成员函数的声明/实现，如同默认继承基类的数据成员一样，而不必另外做任何声明，这就是继承带来的代码重用的优点。
（3）另外还有一些操作，虽然对于各派生类而言都有意义，但是其语义并不相同。这时，这些操作应该声明为基类的虚拟成员函数。各派生类虽然也默认继承了这些虚拟成员函数的声明/实现，但是语义上它们应该对这些虚拟成员函数的实现进行修改或者扩展。另外在实现这些修改或扩展过程中，需要用到额外的该派生类独有的数据时，将这些数据声明为此派生类自己的数据成员。
再考虑更大背景下的继承体系，当更高层次的程序框架（继承体系的使用者）使用此继承体系时，它处理的是一个抽象层次的对象集合（即基类）。虽然这个对象集合的成员实质上可能是各种派生类对象，但在处理这个对象集合中的对象时，它用的是抽象层次的操作。并不区分在这些操作中，哪些操作对各派生类来说是保持不变的，而哪些操作对各派生类来说有所不同。这是因为，当运行时实际执行到各操作时，运行时系统能够识别哪些操作需要用到“动态绑定”，从而找到对应此派生类的修改或扩展的该操作版本。
也就是说，即只需关心它自己问题域的业务逻辑，只要保证正确，其任务就算完成了
。即使继承体系内部增加了某种派生类，或者删除了某种派生类，或者某某派生类的某个虚拟函数的实现发生了改变，它的代码不必任何修改。这也意味着，程序的模块化程度得到了极大的提高。而模块化的提高也就意味着可扩展性、可维护性，以及代码的可读性的提高，这也是“面向对象”编程的一个很大的优点。

虚拟函数的静态类型和动态类型
先来看一个问题，如果一个子类重载的虚拟函数为privete，那么通过父类的指针可以访问到它吗？

#include <IOSTREAM> 
class B 
{ 
public: 
  virtual void fun()  
  { 
    std::cout << "base fun called"; 
  }; 
}; 
class D : public B  
{ 
private: 
  virtual void fun()  
  { 
    std::cout << "driver fun called"; 
  }; 
}; 
int main(int argc, char* argv[]) 
{   
  B* p = new D(); 
  p->fun(); 
  return 0; 
} 

运行时会输出

driver fun called

从这个实验，可以更深入的了解虚拟函数编译时的一些特征:

在编译虚拟函数调用的时候，例如p->fun(); 只是按其静态类型来处理的, 在这里p的类型就是B，不会考虑其实际指向的类型（动态类型）。

也就是说，碰到p->fun();编译器就当作调用B的fun来进行相应的检查和处理。

因为在B里fun是public的，所以这里在“访问控制检查”这一关就完全可以通过了。然后就会转换成(*p->vptr[1])(p)这样的方式处理, p实际指向的动态类型是D，所以p作为参数传给fun后(类的非静态成员函数都会编译加一个指针参数，指向调用该函数的对象，我们平常用的this就是该指针的值）, 实际运行时p->vptr[1]则获取到的是D::fun()的地址，也就调用了该函数, 这也就是动态运行的机理。

为了进一步的实验，可以将B里的fun改为private的，D里的改为public的，则编译就会出错。

C++的注意条款中有一条" 绝不重新定义继承而来的缺省参数值" （Effective C++ Item37， never redefine a function's inherited default parameter value) 也是同样的道理。
可以再做个实验

class B 
{ 
public: 
  virtual void fun(int i = 1)  
  { 
    std::cout << "base fun called, " << i; 
  }; 
}; 
class D : public B  
{ 
private: 
  virtual void fun(int i = 2)  
  { 
    std::cout << "driver fun called, " << i; 
  }; 
}; 

则运行会输出

driver fun called, 1

关于这一点，Effective上讲的很清楚“virtual 函数系动态绑定， 而缺省参数却是静态绑定”，也就是说在编译的时候已经按照p的静态类型处理其默认参数了,转换成了(*p->vptr[1])(p, 1)这样的方式。