1.簡介
虛函式是c++中用於實現多型(polymorphism)的機制。核心理念就是通過基類訪問派生類定義的函式。假設我們有下面的類層次:
class a
};class b: public a
};那麼,在使用的時候,我們可以:
a * a = new b();
a->foo(); // 在這裡,a雖然是指向a的指標,但是被呼叫的函式(foo)卻是b的!
這個例子是虛函式的乙個典型應用,通過這個例子,也許你就對虛函式有了一些概念。它虛就虛在所謂「推遲聯編」或者「動態聯編」上,乙個類函式的呼叫並不是在編譯時刻被確定的,而是在執行時刻被確定的。由於編寫**的時候並不能確定被呼叫的是基類的函式還是哪個派生類的函式,所以被成為「虛」函式。
虛函式只能借助於指標或者引用來達到多型的效果,如果是下面這樣的**,則雖然是虛函式,但它不是多型的:
class a
;class b: public a
;void bar()
1.1 多型
在了解了虛函式的意思之後,再考慮什麼是多型就很容易了。仍然針對上面的類層次,但是使用的方法變的複雜了一些:
void bar(a * a)
因為foo()是個虛函式,所以在bar這個函式中,只根據這段**,無從確定這裡被呼叫的是a::foo()還是b::foo(),但是可以肯定的說:如果a指向的是a類的例項,則a::foo()被呼叫,如果a指向的是b類的例項,則b::foo()被呼叫。
這種同一**可以產生不同效果的特點,被稱為「多型」。
1.2 多型有什麼用?
多型這麼神奇,但是能用來做什麼呢?這個命題我難以用一兩句話概括,一般的c++教程(或者其它物件導向語言的教程)都用乙個畫圖的例子來展示多型的用途,我就不再重複這個例子了,如果你不知道這個例子,隨便找本書應該都有介紹。我試圖從乙個抽象的角度描述一下,回頭再結合那個畫圖的例子,也許你就更容易理解。
在物件導向的程式設計中,首先會針對資料進行抽象(確定基類)和繼承(確定派生類),構成類層次。這個類層次的使用者在使用它們的時候,如果仍然在需要基類的時候寫針對基類的**,在需要派生類的時候寫針對派生類的**,就等於類層次完全暴露在使用者面前。如果這個類層次有任何的改變(增加了新類),都需要使用者「知道」(針對新類寫**)。這樣就增加了類層次與其使用者之間的耦合,有人把這種情況列為程式中的「bad smell」之一。
多型可以使程式設計師脫離這種窘境。再回頭看看1.1中的例子,bar()作為a-b這個類層次的使用者,它並不知道這個類層次中有多少個類,每個類都叫什麼,但是一樣可以很好的工作,當有乙個c類從a類派生出來後,bar()也不需要「知道」(修改)。這完全歸功於多型--編譯器針對虛函式產生了可以在執行時刻確定被呼叫函式的**。
1.3 如何「動態聯編」
編譯器是如何針對虛函式產生可以再執行時刻確定被呼叫函式的**呢?也就是說,虛函式實際上是如何被編譯器處理的呢?lippman在深度探索c++物件模型[1]中的不同章節講到了幾種方式,這裡把「標準的」方式簡單介紹一下。
我所說的「標準」方式,也就是所謂的「vtable」機制。編譯器發現乙個類中有被宣告為virtual的函式,就會為其搞乙個虛函式表,也就是vtable。vtable實際上是乙個函式指標的陣列,每個虛函式占用這個陣列的乙個slot。乙個類只有乙個vtable,不管它有多少個例項。派生類有自己的vtable,但是派生類的vtable與基類的vtable有相同的函式排列順序,同名的虛函式被放在兩個陣列的相同位置上。在建立類例項的時候,編譯器還會在每個例項的記憶體布局中增加乙個vptr欄位,該欄位指向本類的vtable。通過這些手段,編譯器在看到乙個虛函式呼叫的時候,就會將這個呼叫改寫,針對1.1中的例子:
void bar(a * a)
會被改寫為:
void bar(a * a)
因為派生類和基類的foo()函式具有相同的vtable索引,而他們的vptr又指向不同的vtable,因此通過這樣的方法可以在執行時刻決定呼叫哪個foo()函式。
雖然實際情況遠非這麼簡單,但是基本原理大致如此。
1.4 overload和override
虛函式總是在派生類中被改寫,這種改寫被稱為「override」。我經常混淆「overload」和「override」這兩個單詞。但是隨著各類c++的書越來越多,後來的程式設計師也許不會再犯我犯過的錯誤了。但是我打算澄清一下:
override是指派生類重寫基類的虛函式,就象我們前面b類中重寫了a類中的foo()函式。重寫的函式必須有一致的參數列和返回值(c++標準允許返回值不同的情況,這個我會在「語法」部分簡單介紹,但是很少編譯器支援這個feature)。這個單詞好象一直沒有什麼合適的中文詞彙來對應,有人譯為「覆蓋」,還貼切一些。
overload約定成俗的被翻譯為「過載」。是指編寫乙個與已有函式同名但是參數列不同的函式。例如乙個函式即可以接受整型數作為引數,也可以接受浮點數作為引數。
2. 虛函式的語法
虛函式的標誌是「virtual」關鍵字。
2.1 使用virtual關鍵字
考慮下面的類層次:
class a
;class b: public a
;class c: public b // 從b繼承,不是從a繼承!
;這種情況下,b::foo()是虛函式,c::foo()也同樣是虛函式。因此,可以說,基類宣告的虛函式,在派生類中也是虛函式,即使不再使用virtual關鍵字。
2.2 純虛函式
如下宣告表示乙個函式為純虛函式:
class a
;乙個函式宣告為純虛後,純虛函式的意思是:我是乙個抽象類!不要把我例項化!純虛函式用來規範派生類的行為,實際上就是所謂的「介面」。它告訴使用者,我的派生類都會有這個函式。
2.3 虛析構函式
析構函式也可以是虛的,甚至是純虛的。例如:
class a
;當乙個類打算被用作其它類的基類時,它的析構函式必須是虛的。考慮下面的例子:
class a
~a() // 非虛析構函式
private:
char * ptra_;
};class b: public a
~b()
private:
char * ptrb_;
};void foo()
在這個例子中,程式也許不會象你想象的那樣執行,在執行delete a的時候,實際上只有a::~a()被呼叫了,而b類的析構函式並沒有被呼叫!這是否有點兒可怕?
如果將上面a::~a()改為virtual,就可以保證b::~b()也在delete a的時候被呼叫了。因此基類的析構函式都必須是virtual的。
純虛的析構函式並沒有什麼作用,是虛的就夠了。通常只有在希望將乙個類變成抽象類(不能例項化的類),而這個類又沒有合適的函式可以被純虛化的時候,可以使用純虛的析構函式來達到目的。
2.4 虛建構函式?
建構函式不能是虛的。
3. 虛函式使用技巧 3.1 private的虛函式
考慮下面的例子:
class a
private:
virtual void bar()
};class b: public a
};在這個例子中,雖然bar()在a類中是private的,但是仍然可以出現在派生類中,並仍然可以與public或者protected的虛函式一樣產生多型的效果。並不會因為它是private的,就發生a::foo()不能訪問b::bar()的情況,也不會發生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()函式,但是你不要管它如何使用,也不要自己呼叫這個函式。
3.2 建構函式和析構函式中的虛函式呼叫
乙個類的虛函式在它自己的建構函式和析構函式中被呼叫的時候,它們就變成普通函式了,不「虛」了。也就是說不能在建構函式和析構函式中讓自己「多型」。例如:
class a
// 在這裡,無論如何都是a::foo()被呼叫!
~a() // 同上
virtual void foo();
};class b: public a
;void bar()
如果你希望delete a的時候,會導致b::foo()被呼叫,那麼你就錯了。同樣,在new b的時候,a的建構函式被呼叫,但是在a的建構函式中,被呼叫的是a::foo()而不是b::foo()。
3.3 多繼承中的虛函式 3.4 什麼時候使用虛函式
在你設計乙個基類的時候,如果發現乙個函式需要在派生類裡有不同的表現,那麼它就應該是虛的。從設計的角度講,出現在基類中的虛函式是介面,出現在派生類中的虛函式是介面的具體實現。通過這樣的方法,就可以將物件的行為抽象化。
以設計模式[2]中factory method模式為例,creator的factorymethod()就是虛函式,派生類override這個函式後,產生不同的product類,被產生的product類被基類的anoperation()函式使用。基類的anoperation()函式針對product類進行操作,當然product類一定也有多型(虛函式)。
另外乙個例子就是集合操作,假設你有乙個以a類為基類的類層次,又用了乙個std::vector來儲存這個類層次中不同類的例項指標,那麼你一定希望在對這個集合中的類進行操作的時候,不要把每個指標再cast回到它原來的型別(派生類),而是希望對他們進行同樣的操作。那麼就應該將這個「一樣的操作」宣告為virtual。
現實中,遠不只我舉的這兩個例子,但是大的原則都是我前面說到的「如果發現乙個函式需要在派生類裡有不同的表現,那麼它就應該是虛的」。這句話也可以反過來說:「如果你發現基類提供了虛函式,那麼你最好override它」。
C 多型 虛函式和純虛函式的關係
c 多型意味著呼叫成員函式時,會根據呼叫函式的物件的型別來執行不同的函式 形成多型必須具備三個條件 1 必須存在繼承關係 2 繼承關係必須有同名虛函式 其中虛函式是在基類中使用關鍵字virtual宣告的函式,在派生類中重新定義基類中定義的虛函式時,會告訴編譯器不要靜態鏈結到該函式 3 存在基類型別的...
C 中的多型和虛函式
1.c 中的虛函式 c 中的虛函式的作用主要是實現了多型的機制。關於多型,簡而言之就是用父型別別的指標指向其子類的例項,然後通過父類的指標呼叫實際子類的成員函式。這種技術可以讓父類的指標有 多種形態 這是一種泛型技術。所謂泛型技術,說白了就是試圖使用不變的 來實現可變的演算法。比如 模板技術,rtt...
虛繼承,虛函式和虛指標之間的關係
自本人知乎回答 1.在乙個虛繼承的體系中,所有類都沒有虛函式,那麼這些類的物件模型中存不存在vptr?2.在乙個類的物件模型中,存在vptr的充要條件是什麼?3.a類的物件模型中有vptr a,b類普通繼承a類。b類需要滿足什麼條件,其物件模型中,除了含有vptr a以外,還含有vptr b?4.a...