C++ virtual member function FAQ

2019-11-17 04:57:24

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供稿：網(wǎng)友

【1】 虛成員函數(shù)和非虛成員函數(shù)調(diào)用方式有什么不同？
    非虛成員函數(shù)是靜態(tài)確定的。也就是說，該成員函數(shù)（在編譯時(shí)）被靜態(tài)地選擇，該選擇基于指向?qū)ο蟮闹羔槪ɑ蛞茫┑念愋汀?相比而言，虛成員函數(shù)是動(dòng)態(tài)確定的（在運(yùn)行時(shí)）。也就是說，成員函數(shù)（在運(yùn)行時(shí)）被動(dòng)態(tài)地選擇，該選擇基于對象的類型，而不是指向該對象的指針/引用的類型。這被稱作“動(dòng)態(tài)綁定/動(dòng)態(tài)聯(lián)編”。大多數(shù)的編譯器使用以下的一些的技術(shù)，也就是所謂的“VTABLE”機(jī)制：
    編譯器發(fā)現(xiàn)一個(gè)類中有被聲明為virtual的函數(shù)，就會(huì)為其搞一個(gè)虛函數(shù)表，也就是VTABLE。VTABLE實(shí)際上是一個(gè)函數(shù)指針的數(shù)組，每個(gè)虛函數(shù)占用這個(gè)數(shù)組的一個(gè)slot。一個(gè)類只有一個(gè)VTABLE，不管它有多少個(gè)實(shí)例。派生類有自己的VTABLE，但是派生類的VTABLE與基類的VTABLE有相同的函數(shù)排列順序，同名的虛函數(shù)被放在兩個(gè)數(shù)組的相同位置上。在創(chuàng)建類實(shí)例的時(shí)候，編譯器還會(huì)在每個(gè)實(shí)例的內(nèi)存布局中增加一個(gè)vfptr字段，該字段指向本類的VTABLE。通過這些手段，編譯器在看到一個(gè)虛函數(shù)調(diào)用的時(shí)候，就會(huì)將這個(gè)調(diào)用改寫，在分發(fā)一個(gè)虛函數(shù)時(shí)，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)跟隨對象的 v-pointer找到類的 v-table，然后跟隨v-table中適當(dāng)?shù)捻?xiàng)找到方法的代碼。
    以上技術(shù)的空間開銷是存在的：每個(gè)對象一個(gè)額外的指針（僅僅對于需要?jiǎng)討B(tài)綁定的對象），加上每個(gè)方法一個(gè)額外的指針（僅僅對于虛方法）。時(shí)間開銷也是有的：和普通函數(shù)調(diào)用比較，虛函數(shù)調(diào)用需要兩個(gè)額外的步驟（得到v-pointer的值，得到方法的地址）。由于編譯器在編譯時(shí)就通過指針類型解決了非虛函數(shù)的調(diào)用，所以這些開銷不會(huì)發(fā)生在非虛函數(shù)上?！?】 析構(gòu)函數(shù)也可以是虛的，甚至是純虛的，但是構(gòu)造函數(shù)不能是虛的
     純虛的析構(gòu)函數(shù)并沒有什么作用，是虛的就夠了。通常只有在希望將一個(gè)類變成抽象類（不能實(shí)例化的類），而這個(gè)類又沒有合適的函數(shù)可以被純虛化的時(shí)候，可以使用純虛的析構(gòu)函數(shù)來達(dá)到目的。構(gòu)造函數(shù)不能是虛的（為什么？因?yàn)樵谝粋€(gè)構(gòu)造函數(shù)調(diào)用期間，虛機(jī)制并不工作），但是你可以可能通過虛函數(shù) virtual clone()（對于拷貝構(gòu)造函數(shù)）或虛函數(shù) virtual create()（對于默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)），得到虛構(gòu)造函數(shù)產(chǎn)生的效果。如下：
class Shape {
public:
   virtual ~Shape() { }                 // 虛析構(gòu)函數(shù)   virtual void draw() = 0;             // 純虛函數(shù)   virtual void move() = 0;    // ...   virtual Shape* clone()  const = 0;   // 使用拷貝構(gòu)造函數(shù)   virtual Shape* create() const = 0;   // 使用默認(rèn)構(gòu)造函數(shù) }; class Circle : public Shape { public:    Circle* clone()  const { return new Circle(*this); }    Circle* create() const { return new Circle();      }    // ... };    在 clone() 成員函數(shù)中，代碼 new Circle(*this) 調(diào)用 Circle 的拷貝構(gòu)造函數(shù)來復(fù)制this的狀態(tài)到新創(chuàng)建的Circle對象。在 create()成員函數(shù)中，代碼 new Circle() 調(diào)用Circle的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)。
用戶將它們看作“虛構(gòu)造函數(shù)”來使用它們：
void userCode(Shape& s) {    Shape* s2 = s.clone();    Shape* s3 = s.create();    // ...   delete s2;    // 在此處，你可能需要虛析構(gòu)函數(shù)   delete s3; }    這個(gè)函數(shù)將正確工作，而不管 Shape 是一個(gè)Circle，Square，或是其他種類的 Shape，甚至它們還并不存在。
【3】 構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)中的虛函數(shù)調(diào)用
    一個(gè)類的虛函數(shù)在它自己的構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)中被調(diào)用的時(shí)候，它們就變成普通函數(shù)了，不“虛”了。也就是說不能在構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)中讓自己“多態(tài)”。例如：
class A
{
public:
    A() { foo();}        // 在這里，無論如何都是A::foo()被調(diào)用！
    ~A() { foo();}       // 同上
    virtual void foo();
};

class B: public A
{
public:
    virtual void foo();
};

void bar()
{
    A * a = new B;
    delete a;
}
    假如你希望delete a的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致B::foo()被調(diào)用，那么你就錯(cuò)了。同樣，在new B的時(shí)候，A的構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用，但是在A的構(gòu)造函數(shù)中，被調(diào)用的是A::foo()而不是B::foo()。為什么會(huì)有這樣的規(guī)定呢，原因如下：
    當(dāng)基類被構(gòu)造時(shí)，對象還不是一個(gè)派生類的對象，所以假如 Base::Base()調(diào)用了虛函數(shù) virt()，則 Base::virt() 將被調(diào)用，即使 Derived::virt()（派生類重寫該虛函數(shù)）存在。
    同樣，當(dāng)基類被析構(gòu)時(shí)，對象已經(jīng)不再是一個(gè)派生類對象了，所以假如 Base::~Base()調(diào)用了virt()，則 Base::virt()得到控制權(quán)，而不是重寫的 Derived::virt() 。
    當(dāng)你可以想象到假如 Derived::virt() 涉及到派生類的某個(gè)成員對象將造成的災(zāi)難的時(shí)候，你很快就能看到這種方法的明智。具體來說，假如 Base::Base()調(diào)用了虛函數(shù) virt()，這個(gè)規(guī)則使得 Base::virt()被調(diào)用。假如不按照這個(gè)規(guī)則，Derived::virt()將在派生對象的派生部分被構(gòu)造之前被調(diào)用，此時(shí)屬于派生對象的派生部分的某個(gè)成員對象還沒有被構(gòu)造，而 Derived::virt()卻能夠訪問它。這將是災(zāi)難?！?】私有PRivate的虛函數(shù)是否具有多態(tài)性？
    考慮下面的例子：
class A
{
public:
    void foo() { bar();}
private:
    virtual void bar() { ...}
};class B: public A
{
private:
    virtual void bar() { ...}
};
    在這個(gè)例子中，雖然bar()在A類中是private的，但是仍然可以出現(xiàn)在派生類中，并仍然可以與public或者protected的虛函數(shù)一樣產(chǎn)生多態(tài)的效果。并不會(huì)因?yàn)樗莗rivate的，就發(fā)生A::foo()不能訪問B::bar()的情況，也不會(huì)發(fā)生B::bar()對A::bar()的override不起作用的情況。
    這種寫法的語意是：A告訴B，你最好override我的bar()函數(shù)，但是你不要管它如何使用，也不要自己調(diào)用這個(gè)函數(shù)。

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