Работа с объектами чаще всего производится через указатели. Указателю на базовый класс можно присвоить значение адреса объекта любого производного класса.

// Описывается указатель на базовый класс:
monstr *p:
// указатель ссылается наобъект производного класса:
p = new daemon;

Вызов методов объекта происходит в соответствии с типом указателя, а не фактическим типом объекта, на который он ссылается, поэтому при выполнении оператора, например, p->draw(1. 1, 1, 1); будет вызван метод класса monstr, а не класса daemon, поскольку ссылки на методы разрешаются во время компоновки программы. Этот процесс называется ранним связыванием или статическим полиморфизмом. Чтобы вызвать метод класса daemon, можно использовать явное преобразование типа указателя: (daemon * p)->draw(l, 1, 1, 1);

Это не всегда возможно, поскольку в разное время указатель может ссылаться на объекты разных классов иерархии, и во время компиляции программы конкретный класс может быть неизвестен. В качестве примера можно привести функцию, параметром которой является указатель на объект базового класса. На его место во время выполнения программы может быть передан указатель на любой производный класс. Другой пример — связный список указателей на различные объекты иерархии, с которым требуется работать единообразно.

В C++ реализован механизм позднего связывания, когда разрешение ссылок на метод происходит на этапе выполнения программы в зависимости от конкретного типа объекта, вызвавшего метод. Этот механизм реализован с помощью виртуальных методов и рассмотрен в следующем разделе.

Для определения виртуального метода используется спецификатор virtual.

virtual void draw(int x, int y, int scale, int position); 

Рассмотрим правила описания и использования виртуальных методов.

virtual void f(int) = 0;

Чисто виртуальный метод должен переопределяться в производном классе (возможно, опять как чисто виртуальный).

Если определить метод draw в классе monstr как виртуальный, решение о том, ме­тод какого класса вызвать, будет приниматься в зависимости от типа объекта, на который ссылается указатель:

monstr  *r,*p;
r = new monstr;
//
Создается объект
класса monstr
р = new daemon;
//
Создается объект
класса daemon
r->draw(1, 1, 1, 1);        //
Вызывается метод
monstr::draw
p->draw(1, 1, 1, 1);        //
Вызывается метод
daemon::draw
p-> raonstr::draw(1, 1, 1, 1);     // Обход механизма виртуальных методов

Если объект класса daemon будет вызывать метод draw не непосредственно, а косвенно (то есть из другого метода, определенного в классе monstr), будет вызван метод draw класса daemon.

Итак, виртуальным называется метод, ссылка на который разрешается на этапе выполнения программы (перевод красивого английского слова virtual — в данном значении всего-навсего «фактический», то есть ссылка разрешается по факту вызова).

Для каждого класса (не объекта!), содержащего хотя бы один виртуальный метод, компилятор создает таблицу виртуальных методов (vtbl), в которой для каждого виртуального метода записан его адрес в памяти. Адреса методов содержатся в таблице в порядке их описания в классах. Адрес любого виртуального метода имеет в vtbl одно и то же смещение для каждого класса в пределах иерархии.

Каждый объект содержит скрытое дополнительное поле ссылки на vtbl, называемое vptr. Оно заполняется конструктором при создании объекта (для этого компилятор добавляет в начало тела конструктора соответствующие инструкции).

На этапе компиляции ссылки на виртуальные методы заменяются на обращения к vtbl через vptr объекта, а на этапе выполнения в момент обращения к методу его адрес выбирается из таблицы. Таким образом, вызов виртуального метода, в отличие от обычных методов и функций, выполняется через дополнительный этап получения адреса метода из таблицы. Это несколько замедляет выполнение программы.

Рекомендуется делать виртуальными деструкторы для того, чтобы гарантировать правильное освобождение памяти из-под динамического объекта, поскольку в этом случае в любой момент времени будет выбран деструктор, соответствующий фактическому типу объекта. Деструктор передает операции delete размер объекта, имеющий тип size_t. Если удаляемый объект является производным и в нем не определен виртуальный деструктор, передаваемый размер объекта может оказаться неправильным.

Четкого правила, по которому метод следует делать виртуальным, не существует. Можно только дать рекомендацию объявлять виртуальными методы, для которых есть вероятность, что они будут переопределены в производных классах. Методы, которые во всей иерархии останутся неизменными или те, которыми производные классы пользоваться не будут, делать виртуальными нет смысла. С другой стороны, при проектировании иерархии не всегда можно предсказать, каким образом будут расширяться базовые классы (особенно при проектировании библиотек классов), а объявление метода виртуальным обеспечивает гибкость и возможность расширения.

Для пояснения последнего тезиса представим себе, что вызов метода draw осуществляется из метода перемещения объекта. Если текст метода перемещения не зависит от типа перемещаемого объекта (поскольку принцип перемещения всех объектов одинаков, а для отрисовки вызывается конкретный метод), переопределять этот метод в производных классах нет необходимости, и он может быть описан как невиртуальный. Если метод draw виртуальный, метод перемещения сможет без перекомпиляции работать с объектами любых производных классов -даже тех, о которых при его написании ничего известно не было.

Виртуальный механизм работает только при использовании указателей или ссылок на объекты. Объект, определенный через указатель или ссылку и содержащий виртуальные методы, называется полиморфным. В данном случае полиморфизм состоит в том, что с помощью одного и того же обращения к методу выполняются различные действия в зависимости от типа, на который ссылается указатель в каждый момент времени.