[20] 继承 — 虚函数

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小牛编辑

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2023-12-01

FAQs in section [20]:

[20.1] 什么是“虚成员函数”？
[20.2] C++ 怎样同时实现动态绑定和静态类型？
[20.3] 虚成员函数和非虚成员函数调用方式有什么不同？
[20.4] 析构函数何时该时虚拟的？
[20.5] 什么是“虚构造函数(virtual constructor)”？

20.1 什么是“虚成员函数”？

从面向对象观点来看，它是 C++ 最重要的特征：[6.8], [6.9].

虚函数允许派生类取代基类所提供的实现。编译器确保当对象为派生类时，取代者（译注：即派生类的实现）总是被调用，即使对象是使用基类指针访问而不是派生类的指针。这样就允许基类的算法被派生类取代，即使用户不知道派生类的细节。

派生类可以完全地取代基类成员函数（覆盖(override)），也可以部分地取代基类成员函数（增大(augment)）。如果愿意的话，后者由派生类成员函数调用基类成员函数来完成。

20.2 C++ 怎样同时实现动态绑定和静态类型？

当你有一个对象的指针，而对象实际是该指针类型的派生类（例如：一个 Vehicle*指针实际指向一个Car 对象）。由此有两种类型：指针的（静态）类型（在此是Verhicle），和指向的对象的（动态）类型（在此是Car）。

静态类型意味着成员函数调用的合法性被尽可能早地检查：编译器在编译时。编译器用指针的静态类型决定成员函数调用是否合法。如果指针类型能够处理成员函数，那么指针所指对象当然能很好的处理它。例如，如果 Vehicle 有某个成员函数，则由于Car是一种Vehicle，那么Car 当然也有该成员函数。

动态绑定意味着成员函数调用的代码地址在最终时刻才被决定：基于运行时的对象动态类型。因为绑定到实际被调用的代码这个过程是动态完成的（在运行时），所以被称为“动态绑定”。动态绑定是虚函数导致的结果之一。

20.3 虚成员函数和非虚成员函数调用方式有什么不同？

非虚成员函数是静态确定的。也就是说，该成员函数（在编译时）被静态地选择，该选择基于指象对象的指针（或引用）的类型。

相比而言，虚成员函数是动态确定的（在运行时）。也就是说，成员函数（在运行时）被动态地选择，该选择基于对象的类型，而不是指向该对象的指针/引用的类型。这被称作“动态绑定”。大多数的编译器使用以下的一些的技术：如果对象有一个或多个虚函数，编译器将一个隐藏的指针放入对象，该指针称为“virtual-pointor”或“v-pointer”。这个v-pointer指向一个全局表，该表称为“虚函数表（virtural-table）”或“v-table”。

编译器为每个含有至少一个虚函数的类创建一个v-table。例如，如果Cirle类有虚函数ddraw()、move() 和 resize()，那么将有且只有一个和Cricle类相关的v-table，即使有一大堆Circle对象。并且每个 Circle对象的 v-poiner将指向 Circle的这个 v-table。该 v-table自己有指向类的各个虚函数的指针。例如，Circle 的v-table 会有三个指针：一个指向Circle::draw()，一个指向 Circle::move()，还有一个指向Circle::resize()。

在分发一个虚函数时，运行时系统跟随对象的 v-pointer找到类的 v-table，然后跟随v-table中适当的项找到方法的代码。

以上技术的空间开销是存在的：每个对象一个额外的指针（仅仅对于需要动态绑定的对象），加上每个方法一个额外的指针（仅仅对于虚方法）。时间开销也是有的：和普通函数调用比较，虚函数调用需要两个额外的步骤（得到v-pointer的值，得到方法的地址）。由于编译器在编译时就通过指针类型解决了非虚函数的调用，所以这些开销不会发生在非虚函数上。

注意：由于没有涉及诸如多继承，虚继承，RTTI等内容，也没有涉及诸如page fault，通过指向函数的指针调用函数等空间/时间论的内容，所以以上讨论是相当简单的。如果你想知道其他的内容，请询问 comp.lang.c++；而不要给我发E-MAIL！

20.4 析构函数何时该时虚拟的？

当你可能通过基类指针删除派生类对象时。

虚函数绑定到对象的类的代码，而不是指针/引用的类。如果基类有虚析构函数，delete basePtr时（译注：即基类指针），*basePtr 的对象类型的析构函数被调用，而不是该指针的类型的析构函数。这通常是一件好事情。

TECHNO-GEEK WARNING; PUT YOUR PROPELLER HAT ON. 从技术上来说，如果你打算允许其他人通过基类指针调用对象的析构函数（通过delete这样做是正常的），并且被析构的对象是有重要的析构函数的派生类的对象，就需要让基类的析构函数成为虚拟的。如果一个类有显式的析构函数，或者有成员对象，该成员对象或基类有重要的析构函数，那么这个类就有重要的析构函数。（注意这是一个递归的定义（例如，某个具有重要析构函数的类，它有一个成员对象（它有基类（该基类有成员对象（它有基类（该基类有显式的析构函数）））））） END TECHNO-GEEK WARNING; REMOVE YOUR PROPELLER HAT

如果你对以上的规则理解有困难，试试这个简单的：类应该有虚析构函数，除非这个类没有虚函数。原理：如果有虚函数，说明你想通过基类指针来使用派生对象，并且你所可能做的事情之中，可能包含了调用析构函数（通常通过delete隐含完成）。一旦你在类中加上了一个虚函数，你就已经需要为每一个对象支付空间代价（每个对象一个指针；注意这是理论上的编译器特性；实际上每个编译器都是这样做的），所以这时使析构函数成为虚拟的通常不会额外付出什么。

20.5 什么是“虚构造函数(`virtual` constructor)”？

一种允许你做一些 C++ 不直接支持的事情的用法。

你可能通过虚函数 virtual clone()（对于拷贝构造函数）或虚函数 virtual create()（对于默认构造函数），得到虚构造函数产生的效果。

 class Shape {
 public:
   virtual ~Shape() { }                 // 虚析构函数
   virtual void draw() = 0;             // 纯虚函数
   virtual void move() = 0;
   // ...
   virtual Shape* clone()  const = 0;   // 使用拷贝构造函数_
   virtual Shape* create() const = 0;   // 使用默认构造函数
 };

 class Circle : public Shape {
 public:
   Circle* clone()  const { return new Circle(*this); }
   Circle* create() const { return new Circle();      }
   // ...
 };

在 clone() 成员函数中，代码 new Circle(*this) 调用 Circle 的拷贝构造函数来复制this的状态到新创建的Circle对象。在 create()成员函数中，代码 new Circle() 调用Circle的默认构造函数。

用户将它们看作“虚构造函数”来使用它们：

 void userCode(Shape& s)
 {
   Shape* s2 = s.clone();
   Shape* s3 = s.create();
   // ...
   delete s2;    // 在此处，你可能需要虚析构函数
   delete s3;
 }

这个函数将正确工作，而不管 Shape 是一个Circle，Square，或是其他种类的 Shape，甚至它们还并不存在。

注意：成员函数Circle's clone()的返回值类型故意与成员函数Shape's clone()的不同。这种特征被称为“协变的返回类型”，该特征最初并不是语言的一部分。如果你的编译器不允许在Circle类中这样声明Circle* clone() const（如，提示“The return type is different”或“The member function's type differs from the base class virtual function by return type alone”），说明你的编译器陈旧了，那么你必须改变返回类型为Shape*。