C++箴言:避免構造或析構函數中調用虛函數

2019-11-17 05:08:22

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供稿：網友

　　假如你已經從另外一種語言如C#或者java轉向了C++，你會覺得，避免在類的構造函數或者析構函數中調用虛函數這一原則有點違反直覺。但是在C++中，違反這個原則會給你帶來難以預料的后果和無盡的煩惱。

　　正文

　　我想以重復本文的主題開篇：不要在類的構造或者析構函數中調用虛函數，因為這種調用不會如你所愿，即使成功一點，最后還會使你沮喪不已。假如你以前是一個Java或者C#程序員，請密切注重本節的內容-這正是C++與其它語言的大區別之一。

　　假設你有一個為股票交易建模的類層次結構，例如買單，賣單，等等。為該類交易建立審計系統是非常重要的，這樣的話，每當創建一個交易對象，在審計登錄項上就生成一個適當的入口項。這看上去不失為一種解決該問題的合理方法：

class Transaction {// 所有交易的基類
public:
　Transaction();
　virtual void logTransaction() const = 0;//建立依靠于具體交易類型的登錄項
　...
};
Transaction::Transaction() //實現基類的構造函數
{
　...
　logTransaction(); //最后，登錄該交易
}
class BuyTransaction: public Transaction {
// 派生類
public:
　virtual void logTransaction() const; //怎樣實現這種類型交易的登錄？
　...
};
class SellTransaction: public Transaction {
//派生類
public:
　virtual void logTransaction() const; //怎樣實現這種類型交易的登錄？
　...
};
　　現在，請分析執行下列代碼調用時所發生的事情：

BuyTransaction b;
　　很明顯，一個BuyTransaction類構造器被調用。但是，首先調用的是Transaction類的構造器-派生類對象的基類部分是在派生類部分之前被構造的。Transaction構造器的最后一行調用了虛函數logTransaction，但是希奇的事情正是在此發生的。被調用函數logTransaction的版本是Transaction中的那個，而不是BuyTransaction中的那個-即使現在產生的對象的類型是BuyTransaction，情況也是如此。在基類的構造過程中，虛函數調用從不會被傳遞到派生類中。代之的是，派生類對象表現出來的行為好象其本身就是基類型。不規范地說，在基類的構造過程中，虛函數并沒有被"構造"。

　　對上面這種看上去有點違反直覺的行為可以用一個理由來解釋-因為基類構造器是在派生類之前執行的，所以在基類構造器運行的時候派生類的數據成員還沒有被初始化。假如在基類的構造過程中對虛函數的調用傳遞到了派生類，派生類對象當然可以參照引用局部的數據成員，但是這些數據成員其時尚未被初始化。這將會導致無休止的未定義行為和徹夜的代碼調試。沿類層次往下調用尚未初始化的對象的某些部分本來就是危險的，所以C++干脆不讓你這樣做。

　　事實上還有比這更具基本的要求。在派生類對象的基類對象構造過程中，該類的類型是基類類型。不僅虛函數依靠于基類，而且使用運行時刻信息的語言的相應部分（例如，dynamic_cast（參見Item 27）和typeid）也把該對象當基類類型對待。在我們的示例中，當Transaction的構造器正運行以初始化BuyTransaction對象的基類部分時，該對象是Transaction類型。在C++編程中處處都這樣處理，這樣做很有意義：在基類對象的初始化中，派生類對象BuyTransaction相關部分并未被初始化，所以其時把這些部分當作根本不存在是最安全的。在一個派生類對象的構造器開始執行之前，它不會成為一個派生類對象的。

　　在對象的析構期間，存在與上面同樣的邏輯。一旦一個派生類的析構器運行起來，該對象的派生類數據成員就被假設為是未定義的值，這樣以來，C++就把它們當做是不存在一樣。一旦進入到基類的析構器中，該對象即變為一個基類對象，C++中各個部分（虛函數，dynamic_cast運算符等等）都這樣處理。

　　在上面的示例代碼中，Transaction構造器直接調用了一個虛函數-這明顯地破壞了本文所強調的原則。這種破壞性非常輕易覺察，一些編譯器對此發出警告（注重：另外一些編譯器并不給出警告，請參考Item 53有關警告的討論）。即使沒有給出警告，該問題在代碼運行時刻也是相當明顯的，因為函數logTransaction是類Transaction中的純虛函數。除非該函數被定義了（可能性不太大，但確實存在這種情況-參見Item 34），否則程序不會進行鏈接：鏈接器沒法找到Transaction::logTransaction的必需的實現代碼。

　　在類的構造或者析構函數中進行虛函數調用并非總是那么輕易被發現。假如Transaction類有多個構造器且其中每個必須執行一些相同的任務，也許只有優秀的軟件工程師才能夠避免代碼的重復，這可以通過把相同的初始化代碼（包括調用logTransaction）放到一個私有的且非虛的初始化函數中實現，譬如下面的init：

class Transaction {
　public:
　　Transaction()
　　{ init(); } //調用非虛函數...
　　virtual void logTransaction() const = 0;
　　...
　PRivate:
　　void init()
　　{
　　　...
　　　logTransaction(); //注重這里調用了虛函數
　　}
};
　　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性，因為典型情況下，該代碼會被成功地編譯與鏈接。在這種情況下，因為logTransaction是Transaction類中的純虛函數，絕大多數的運行時刻系統會在該純虛函數被調用時（典型地是通過發送一個帶有調用該函數意義的消息實現）流產掉程序。然而，假如logTransaction是一個"正常的"虛函數（也就是，不是純虛的），并在Transaction中有它的實現部分，該代碼段將被調用而且程序會順利地運行一段時間，這讓你考慮為什么在一個派生類對象被創建時調用了logTransaction的錯誤版本。唯一避免該問題的辦法是確保沒有任何一個構造器或者析構器在正被產生或毀壞的對象上調用了虛函數，而且所有其調用的函數都要遵循同樣的約束。

　　但是，每當有一個對象在Transaction類層次結構中產生時，如何保證調用的是logTransaction的正確版本呢？很明顯，從Transaction的構造器中調用對象上的虛函數是錯誤的做法。

　　有幾種不同的辦法可以解決這個問題。一種辦法就是在Transaction中把函數logTransaction改變為一個非虛函數，然后要求派生子類的構造器要把必要的登錄信息傳遞給Transaction的構造器。如此以來，上面的函數就能夠安全地調用非虛函數logTransaction了。如下所示：

class Transaction {
　public:
　　eXPlicit Transaction(const std::string& logInfo);
　　void logTransaction(const std::string& logInfo) const;//現在是一個非虛函數
　　...
};

Transaction::Transaction(const std::string& logInfo)
{
　...
　logTransaction(logInfo);// 現在調用的是一個非虛函數
}

class BuyTransaction: public Transaction {
　public:
　　BuyTransaction( parameters )
　　:Transaction(createLogString(parameters)) { ... } //把登錄信息傳送給基類的構造函數
　　...
　private:
　　static std::string createLogString( parameters );
};
　　換句話說，既然在基類的構造函數中不能沿著類的繼續層次往下調用虛函數，你可以通過在派生類中沿著類的層次結構把必要的構造信息傳遞到基類的構造器中來補償這一點。

　　在這個例子中，請注重BuyTransaction中私有靜態函數createLogString的使用方法。通過使用幫助函數來創建一個值并把它傳遞到基類構造器中，這種方式比起在成員初始化列表中實現基類所需的操作要更方便和更具有可讀性。這里我們把該函數創建為static型，這對于偶然參照引用一下剛產生的BuyTransaction對象的尚未初始化的數據成員是沒有危險的。這一點很重要，因為那些數據成員還處于一種未定義的狀態中，這一事實解釋了為什么在基類的構造或者析構函數中對于虛函數的調用不能首先傳遞到派生子類中去。

　　結論

　　不要在類的構造或者析構過程中調用虛函數，因為這樣的調用永遠不會沿類繼續樹往下傳遞到子類中去。

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