C++箴言:避免析構(gòu)函數(shù)調(diào)用虛函數(shù)

2019-11-17 05:11:52

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供稿：網(wǎng)友

　　假如你已經(jīng)從另外一種語(yǔ)言如C#或者java轉(zhuǎn)向了C++，你會(huì)覺(jué)得，避免在類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)或者析構(gòu)函數(shù)中調(diào)用虛函數(shù)這一原則有點(diǎn)違反直覺(jué)。但是在C++中，違反這個(gè)原則會(huì)給你帶來(lái)難以預(yù)料的后果和無(wú)盡的煩惱。

　　正文

　　我想以重復(fù)本文的主題開(kāi)篇：不要在類(lèi)的構(gòu)造或者析構(gòu)函數(shù)中調(diào)用虛函數(shù)，因?yàn)檫@種調(diào)用不會(huì)如你所愿，即使成功一點(diǎn)，最后還會(huì)使你沮喪不已。假如你以前是一個(gè)Java或者C#程序員，請(qǐng)密切注重本節(jié)的內(nèi)容-這正是C++與其它語(yǔ)言的大區(qū)別之一。

　　假設(shè)你有一個(gè)為股票交易建模的類(lèi)層次結(jié)構(gòu)，例如買(mǎi)單，賣(mài)單，等等。為該類(lèi)交易建立審計(jì)系統(tǒng)是非常重要的，這樣的話，每當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)交易對(duì)象，在審計(jì)登錄項(xiàng)上就生成一個(gè)適當(dāng)?shù)娜肟陧?xiàng)。這看上去不失為一種解決該問(wèn)題的合理方法：

　　

　　class Transaction {// 所有交易的基類(lèi)

　　public:

　　　Transaction();

　　　virtual void logTransaction() const = 0;//建立依靠于具體交易類(lèi)型的登錄項(xiàng)

　　　...

　　};

　　Transaction::Transaction() //實(shí)現(xiàn)基類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)

　　{

　　　...

　　　logTransaction(); //最后，登錄該交易

　　}

　　class BuyTransaction: public Transaction {

　　// 派生類(lèi)

　　public:

　　　virtual void logTransaction() const; //怎樣實(shí)現(xiàn)這種類(lèi)型交易的登錄？

　　　...

　　};

　　class SellTransaction: public Transaction {

　　//派生類(lèi)

　　public:

　　　virtual void logTransaction() const; //怎樣實(shí)現(xiàn)這種類(lèi)型交易的登錄？

　　　...

　　};

　　現(xiàn)在，請(qǐng)分析執(zhí)行下列代碼調(diào)用時(shí)所發(fā)生的事情：

　　BuyTransaction b;

　　很明顯，一個(gè)BuyTransaction類(lèi)構(gòu)造器被調(diào)用。但是，首先調(diào)用的是Transaction類(lèi)的構(gòu)造器-派生類(lèi)對(duì)象的基類(lèi)部分是在派生類(lèi)部分之前被構(gòu)造的。Transaction構(gòu)造器的最后一行調(diào)用了虛函數(shù)logTransaction，但是希奇的事情正是在此發(fā)生的。被調(diào)用函數(shù)logTransaction的版本是Transaction中的那個(gè)，而不是BuyTransaction中的那個(gè)-即使現(xiàn)在產(chǎn)生的對(duì)象的類(lèi)型是BuyTransaction，情況也是如此。在基類(lèi)的構(gòu)造過(guò)程中，虛函數(shù)調(diào)用從不會(huì)被傳遞到派生類(lèi)中。代之的是，派生類(lèi)對(duì)象表現(xiàn)出來(lái)的行為好象其本身就是基類(lèi)型。不規(guī)范地說(shuō)，在基類(lèi)的構(gòu)造過(guò)程中，虛函數(shù)并沒(méi)有被"構(gòu)造"。

　　對(duì)上面這種看上去有點(diǎn)違反直覺(jué)的行為可以用一個(gè)理由來(lái)解釋-因?yàn)榛?lèi)構(gòu)造器是在派生類(lèi)之前執(zhí)行的，所以在基類(lèi)構(gòu)造器運(yùn)行的時(shí)候派生類(lèi)的數(shù)據(jù)成員還沒(méi)有被初始化。假如在基類(lèi)的構(gòu)造過(guò)程中對(duì)虛函數(shù)的調(diào)用傳遞到了派生類(lèi)，派生類(lèi)對(duì)象當(dāng)然可以參照引用局部的數(shù)據(jù)成員，但是這些數(shù)據(jù)成員其時(shí)尚未被初始化。這將會(huì)導(dǎo)致無(wú)休止的未定義行為和徹夜的代碼調(diào)試。沿類(lèi)層次往下調(diào)用尚未初始化的對(duì)象的某些部分本來(lái)就是危險(xiǎn)的，所以C++干脆不讓你這樣做。

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　　事實(shí)上還有比這更具基本的要求。在派生類(lèi)對(duì)象的基類(lèi)對(duì)象構(gòu)造過(guò)程中，該類(lèi)的類(lèi)型是基類(lèi)類(lèi)型。不僅虛函數(shù)依靠于基類(lèi)，而且使用運(yùn)行時(shí)刻信息的語(yǔ)言的相應(yīng)部分（例如，dynamic_cast（參見(jiàn)Item 27）和typeid）也把該對(duì)象當(dāng)基類(lèi)類(lèi)型對(duì)待。

在我們的示例中，當(dāng)Transaction的構(gòu)造器正運(yùn)行以初始化BuyTransaction對(duì)象的基類(lèi)部分時(shí)，該對(duì)象是Transaction類(lèi)型。
在C++編程中處處都這樣處理，這樣做很有意義：在基類(lèi)對(duì)象的初始化中，派生類(lèi)對(duì)象BuyTransaction相關(guān)部分并未被初始化，所以其時(shí)把這些部分當(dāng)作根本不存在是最安全的。在一個(gè)派生類(lèi)對(duì)象的構(gòu)造器開(kāi)始執(zhí)行之前，它不會(huì)成為一個(gè)派生類(lèi)對(duì)象的。

　　在對(duì)象的析構(gòu)期間，存在與上面同樣的邏輯。一旦一個(gè)派生類(lèi)的析構(gòu)器運(yùn)行起來(lái)，該對(duì)象的派生類(lèi)數(shù)據(jù)成員就被假設(shè)為是未定義的值，這樣以來(lái)，C++就把它們當(dāng)做是不存在一樣。一旦進(jìn)入到基類(lèi)的析構(gòu)器中，該對(duì)象即變?yōu)橐粋€(gè)基類(lèi)對(duì)象，C++中各個(gè)部分（虛函數(shù)，dynamic_cast運(yùn)算符等等）都這樣處理。

　　在上面的示例代碼中，Transaction構(gòu)造器直接調(diào)用了一個(gè)虛函數(shù)-這明顯地破壞了本文所強(qiáng)調(diào)的原則。這種破壞性非常輕易覺(jué)察，一些編譯器對(duì)此發(fā)出警告（注重：另外一些編譯器并不給出警告，請(qǐng)參考Item 53有關(guān)警告的討論）。即使沒(méi)有給出警告，該問(wèn)題在代碼運(yùn)行時(shí)刻也是相當(dāng)明顯的，因?yàn)楹瘮?shù)logTransaction是類(lèi)Transaction中的純虛函數(shù)。除非該函數(shù)被定義了（可能性不太大，但確實(shí)存在這種情況-參見(jiàn)Item 34），否則程序不會(huì)進(jìn)行鏈接：鏈接器沒(méi)法找到Transaction::logTransaction的必需的實(shí)現(xiàn)代碼。

　　在類(lèi)的構(gòu)造或者析構(gòu)函數(shù)中進(jìn)行虛函數(shù)調(diào)用并非總是那么輕易被發(fā)現(xiàn)。假如Transaction類(lèi)有多個(gè)構(gòu)造器且其中每個(gè)必須執(zhí)行一些相同的任務(wù)，也許只有優(yōu)秀的軟件工程師才能夠避免代碼的重復(fù)，這可以通過(guò)把相同的初始化代碼（包括調(diào)用logTransaction）放到一個(gè)私有的且非虛的初始化函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，譬如下面的init：

　　

　　class Transaction {

　　　public:

　　　　Transaction()

　　　　{ init(); } //調(diào)用非虛函數(shù)...

　　　　virtual void logTransaction() const = 0;

　　　　...

　　　PRivate:

　　　　void init()

　　　　{

　　　　　...

　　　　　logTransaction(); //注重這里調(diào)用了虛函數(shù)

　　　　}

　　};

　　這段代碼從概念上看與前面的版本一樣，但是卻更具有潛在的危險(xiǎn)性，因?yàn)榈湫颓闆r下，該代碼會(huì)被成功地編譯與鏈接。在這種情況下，因?yàn)閘ogTransaction是Transaction類(lèi)中的純虛函數(shù)，絕大多數(shù)的運(yùn)行時(shí)刻系統(tǒng)會(huì)在該純虛函數(shù)被調(diào)用時(shí)（典型地是通過(guò)發(fā)送一個(gè)帶有調(diào)用該函數(shù)意義的消息實(shí)現(xiàn)）流產(chǎn)掉程序。然而，假如logTransaction是一個(gè)"正常的"虛函數(shù)（也就是，不是純虛的），并在Transaction中有它的實(shí)現(xiàn)部分，該代碼段將被調(diào)用而且程序會(huì)順利地運(yùn)行一段時(shí)間，這讓你考慮為什么在一個(gè)派生類(lèi)對(duì)象被創(chuàng)建時(shí)調(diào)用了logTransaction的錯(cuò)誤版本。唯一避免該問(wèn)題的辦法是確保沒(méi)有任何一個(gè)構(gòu)造器或者析構(gòu)器在正被產(chǎn)生或毀壞的對(duì)象上調(diào)用了虛函數(shù)，而且所有其調(diào)用的函數(shù)都要遵循同樣的約束。

　　但是，每當(dāng)有一個(gè)對(duì)象在Transaction類(lèi)層次結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生時(shí)，如何保證調(diào)用的是logTransaction的正確版本呢？很明顯，從Transaction的構(gòu)造器中調(diào)用對(duì)象上的虛函數(shù)是錯(cuò)誤的做法。

　　有幾種不同的辦法可以解決這個(gè)問(wèn)題。一種辦法就是在Transaction中把函數(shù)logTransaction改變?yōu)橐粋€(gè)非虛函數(shù)，然后要求派生子類(lèi)的構(gòu)造器要把必要的登錄信息傳遞給Transaction的構(gòu)造器。如此以來(lái)，上面的函數(shù)就能夠安全地調(diào)用非虛函數(shù)logTransaction了。如下所示：

　　

　　class Transaction {

　　　public:

　　　　eXPlicit Transaction(const std::string& logInfo);

　　　　void logTransaction(const std::string& logInfo) const;//現(xiàn)在是一個(gè)非虛函數(shù)

　　　　...

　　};

　　

　　Transaction::Transaction(const std::string& logInfo)

　　{

　　　...

　　　logTransaction(logInfo);// 現(xiàn)在調(diào)用的是一個(gè)非虛函數(shù)

　　}

　　

　　class BuyTransaction: public Transaction {

　　　public:

　　　　BuyTransaction( parameters )

　　　　:Transaction(createLogString(parameters)) { ... } //把登錄信息傳送給基類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)

　　　　...

　　　private:

　　　　static std::string createLogString( parameters );

　　};

　　換句話說(shuō)，既然在基類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)中不能沿著類(lèi)的繼續(xù)層次往下調(diào)用虛函數(shù)，你可以通過(guò)在派生類(lèi)中沿著類(lèi)的層次結(jié)構(gòu)把必要的構(gòu)造信息傳遞到基類(lèi)的構(gòu)造器中來(lái)補(bǔ)償這一點(diǎn)。

　　在這個(gè)例子中，請(qǐng)注重BuyTransaction中私有靜態(tài)函數(shù)createLogString的使用方法。通過(guò)使用幫助函數(shù)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)值并把它傳遞到基類(lèi)構(gòu)造器中，這種方式比起在成員初始化列表中實(shí)現(xiàn)基類(lèi)所需的操作要更方便和更具有可讀性。這里我們把該函數(shù)創(chuàng)建為static型，這對(duì)于偶然參照引用一下剛產(chǎn)生的BuyTransaction對(duì)象的尚未初始化的數(shù)據(jù)成員是沒(méi)有危險(xiǎn)的。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)槟切?shù)據(jù)成員還處于一種未定義的狀態(tài)中，這一事實(shí)解釋了為什么在基類(lèi)的構(gòu)造或者析構(gòu)函數(shù)中對(duì)于虛函數(shù)的調(diào)用不能首先傳遞到派生子類(lèi)中去。

　　結(jié)論

　　不要在類(lèi)的構(gòu)造或者析構(gòu)過(guò)程中調(diào)用虛函數(shù)，因?yàn)檫@樣的調(diào)用永遠(yuǎn)不會(huì)沿類(lèi)繼續(xù)樹(shù)往下傳遞到子類(lèi)中去。

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