C++中的虚函数是一种很有特点的函数，也是常常被面试官问到的问题。在面向对象编程中，虚函数是非常重要的一个概念，C++中的虚函数同样也是一个非常强大的工具。那么，什么是虚函数？接下来，我们将深入剖析C++特有的虚函数实现机制。

一、什么是虚函数

在C++中，虚函数是在基类中定义的，用 virtual 修饰的成员函数。在继承类中，可以重写虚函数，以适应不同的需求。在C++的术语中，采用虚函数技术实现的多态性被称为运行时多态。

虚函数在C++中实现多态性的方式是动态绑定。当一个类对象调用虚函数时，程序将根据对象的类型来判断应该调用哪个虚函数。这种调用方式可称为动态绑定形式的多态。

二、虚函数的实现原理

虚函数的多态性实现依赖于虚函数表。虚函数表是编译器自动创建的一个数组，其中存储了每个类的虚函数指针。

当定义一个类时，如果该类有虚函数，编译器会为该类创建一个虚函数表，这个虚函数表大小和虚函数个数相同，每个虚函数记录了被覆盖掉的虚函数地址。在调用对象的虚函数时，编译器会根据对象所属的类找到该类的虚函数表，然后再根据函数指针调用

由于对象在定义时就已经确定了自己所属的类类型，所以可以根据对象的类型动态生成函数指针，并通过虚函数表找到对应的虚函数。这样，我们就可以做到在运行时决定应该调用哪个虚函数。

三、虚函数的调用方式

在C++中，虚函数的调用方式有两种:静态调用和动态调用。

静态调用指的是在编译时传递实参并调用函数，这种情况下虚函数是不起作用的，因为此时函数调用的函数地址是由编译器在编译时确定的。例如：

```cpp

#include

using namespace std;

class Base{

public:

virtual void show(){

cout << "Base::show()" << endl;

}

};

class Derived:public Base{

public:

virtual void show(){

cout << "Derived::show()" << endl;

}

};

int main()

{

Derived d;

Base *b = &d;// 基类指针指向子类

b->show(); // 静态绑定

cout << "-----------------------------------" << endl;

Base &bb = d; // 基类引用绑定子类

bb.show(); // 静态绑定

return 0;

}

```

由于编译器预先知道对象的类型，程序在执行时会调用基类的show函数。

动态调用是指通过指向基类的指针，在程序运行时判断对象的类型调用相应类型的函数。例如：

```cpp

#include

using namespace std;

class Base{

public:

virtual void show(){

cout << "Base::show()" << endl;

}

};

class Derived:public Base{

public:

virtual void show(){

cout << "Derived::show()" << endl;

}

};

int main()

{

Derived d;

Base *b = &d;// 基类指针指向子类

b->show(); // 动态绑定

cout << "-----------------------------------" << endl;

Base &bb = d; // 基类引用绑定子类

bb.show(); // 动态绑定

return 0;

}

```

在程序运行时，程序会根据对象的类型来调用相应类型的虚函数，因此打印的结果是 "Derived::show()”。

四、虚函数的缺点

在C++中，由于动态绑定的开销很大，所以虚函数会影响程序性能。虚函数主要影响程序性能的原因是，每次调用虚函数时需要在虚函数表中查找函数地址，这样会导致CPU缓存的命中率降低，从而影响系统的整体性能。

因此，在编写大规模系统时，我们需要尽量避免过度使用虚函数，以提高程序的性能。如果需要使用虚函数，可以采用以下方式优化虚函数指针的查找效率。

1.尽量使用内联函数

内联函数的调用不再需要用栈帧，调用的代码被直接嵌入到函数调用者的代码中，可以避免由于函数调用产生的栈处理、返回地址的保存和恢复以及参数的传递等开销。这样一来，内联函数的执行速度要比虚函数快得多。

2.关闭虚函数优化（虚函数压缩）

如果优化代码时发现虚函数是程序的瓶颈，可以关闭虚函数优化。虚函数压缩是一种空间和执行效率函数的优化，实现方式是将类的虚函数指针表压缩到最小可能的尺寸。

在内存中，每一个对象的虚函数指针都是相同的（编译器会将所有虚函数的地址放在虚函数表中），因此，对于每一个对象，我们可以使用同一块内存来存储虚函数指针。

五、总结

虚函数是一种非常重要的技术，在C++的面向对象编程中扮演着重要的角色。通过虚函数，我们可以实现多态、动态绑定、以及运行时确定对象类型，这些都是面向对象编程中非常有价值的特性。但是，由于每次调用虚函数时需要在虚函数表中查找函数地址，所以虚函数会影响程序性能。

因此，在开发过程中，我们需要根据实际情况来决定是否使用虚函数，或者使用什么方式来优化虚函数的性能。只有在正确地使用和优化虚函数时，才能使程序达到更高的效率和更好的性能。