C++中確定基類有虛析構函數

2019-11-17 05:42:31

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    有時，一個類想跟蹤它有多少個對象存在。一個簡單的方法是創建一個靜態類成員來統計對象的個數。這個成員被初始化為0，在構造函數里加1，析構函數里減1。（條款m26里說明了如何把這種方法封裝起來以便很輕易地添加到任何類中，“my article on counting objects”提供了對這個技術的另外一些改進）

設想在一個軍事應用程序里，有一個表示敵人目標的類：

class enemytarget {
public:
  enemytarget() { ++numtargets; }
  enemytarget(const enemytarget&) { ++numtargets; }
  ~enemytarget() { --numtargets; }

  static size_t numberoftargets()
  { return numtargets; }

  virtual bool destroy();       // 摧毀enemytarget對象后
                                // 返回成功

PRivate:
  static size_t numtargets;     // 對象計數器
};

// 類的靜態成員要在類外定義;
// 缺省初始化為0
size_t enemytarget::numtargets;

這個類不會為你贏得一份政府防御合同，它離國防部的要求相差太遠了，但它足以滿足我們這兒說明問題的需要。

敵人的坦克是一種非凡的敵人目標，所以會很自然地想到將它抽象為一個以公有繼續方式從enemytarget派生出來的類（參見條款35及m33）。因為不但要關心敵人目標的總數，也要關心敵人坦克的總數，所以和基類一樣，在派生類里也采用了上面提到的同樣的技巧：

class enemytank: public enemytarget {
public:
  enemytank() { ++numtanks; }

  enemytank(const enemytank& rhs)
  : enemytarget(rhs)
  { ++numtanks; }

  ~enemytank() { --numtanks; }

  static size_t numberoftanks()
  { return numtanks; }

  virtual bool destroy();

private:
  static size_t numtanks;         // 坦克對象計數器
};

（寫完以上兩個類的代碼后，你就更能夠理解條款m26對這個問題的通用解決方案了。）

最后，假設程序的其他某處用new動態創建了一個enemytank對象，然后用delete刪除掉：

enemytarget *targetptr = new enemytank;

...

delete targetptr;

到此為止所做的一切好象都很正常：兩個類在析構函數里都對構造函數所做的操作進行了清除；應用程序也顯然沒有錯誤，用new生成的對象在最后也用delete刪除了。然而這里卻有很大的問題。程序的行為是不可猜測的——無法知道將會發生什么。

c++語言標準關于這個問題的闡述非常清楚：當通過基類的指針去刪除派生類的對象，而基類又沒有虛析構函數時，結果將是不可確定的。這意味著編譯器生成的代碼將會做任何它喜歡的事：重新格式化你的硬盤，給你的老板發電子郵件，把你的程序源代碼傳真給你的對手，無論什么事都可能發生。（實際運行時經常發生的是，派生類的析構函數永遠不會被調用。在本例中，這意味著當targetptr 刪除時，enemytank的數量值不會改變，那么，敵人坦克的數量就是錯的，這對需要高度依靠精確信息的部隊來說，會造成什么后果？）

為了避免這個問題，只需要使enemytarget的析構函數為virtual。聲明析構函數為虛就會帶來你所希望的運行良好的行為：對象內存釋放時，enemytank和enemytarget的析構函數都會被調用。

和絕大部分基類一樣，現在enemytarget類包含一個虛函數。虛函數的目的是讓派生類去定制自己的行為（見條款36），所以幾乎所有的基類都包含虛函數。

假如某個類不包含虛函數，那一般是表示它將不作為一個基類來使用。當一個類不預備作為基類使用時，使析構函數為虛一般是個壞主意。請看下面的例子，這個例子基于arm(“the annotated c++ reference manual”)一書的一個專題討論。

// 一個表示2d點的類
class point {
public:
  point(short int xcoord, short int ycoord);
  ~point();

private:
  short int x, y;
};

假如一個short int占16位，一個point對象將剛好適合放進一個32位的寄存器中。另外，一個point對象可以作為一個32位的數據傳給用c或fortran等其他語言寫的函數中。但假如point的析構函數為虛，情況就會改變。

實現虛函數需要對象附帶一些額外信息，以使對象在運行時可以確定該調用哪個虛函數。對大多數編譯器來說，這個額外信息的具體形式是一個稱為vptr（虛函數表指針）的指針。vptr指向的是一個稱為vtbl（虛函數表）的函數指針數組。每個有虛函數的類都附帶有一個vtbl。當對一個對象的某個虛函數進行請求調用時，實際被調用的函數是根據指向vtbl的vptr在vtbl里找到相應的函數指針來確定的。

虛函數實現的細節不重要（當然，假如你感愛好，可以閱讀條款m24），重要的是，假如point類包含一個虛函數，它的對象的體積將不知不覺地翻番，從2個16位的short變成了2個16位的short加上一個32位的vptr！point對象再也不能放到一個32位寄存器中去了。而且，c++中的point對象看起來再也不具有和其他語言如c中聲明的那樣相同的結構了，因為這些語言里沒有vptr。所以，用其他語言寫的函數來傳遞point也不再可能了，除非專門去為它們設計vptr，而這本身是實現的細節，會導致代碼無法移植。

所以基本的一條是，無故的聲明虛析構函數和永遠不去聲明一樣是錯誤的。實際上，很多人這樣總結：當且僅當類里包含至少一個虛函數的時候才去聲明虛析構函數。

這是一個很好的準則，大多數情況都適用。但不幸的是，當類里沒有虛函數的時候，也會帶來非虛析構函數問題。例如，條款13里有個實現用戶自定義數組下標上下限的類模板。假設你（不顧條款m33的建議）決定寫一個派生類模板來表示某種可以命名的數組(即每個數組有一個名字)。

template<class t>                // 基類模板
class array {                    // (來自條款13)
public:
  array(int lowbound, int highbound);
  ~array();

private:
  vector<t> data;
  size_t size;
  int lbound, hbound;
};

template<class t>
class namedarray: public array<t> {
public:
  namedarray(int lowbound, int highbound, const string& name);
  ...

private:
  string arrayname;
};

假如在應用程序的某個地方你將指向namedarray類型的指針轉換成了array類型的指針，然后用delete來刪除array指針，那你就會立即掉進“不確定行為”的陷阱中。

namedarray<int> *pna =
  new namedarray<int>(10, 20, "impending doom");

array<int> *pa;

...

pa = pna;                // namedarray<int>* -> array<int>*

...

delete pa;               // 不確定! 實際中，pa->arrayname
                         // 會造成泄漏，因為*pa的namedarray
                         // 永遠不會被刪除

現實中，這種情形出現得比你想象的要頻繁。讓一個現有的類做些什么事，然后從它派生一個類做和它相同的事，再加上一些非凡的功能，這在現實中不是不常見。namedarray沒有重定義array的任何行為——它繼續了array的所有功能而沒有進行任何修改——它只是增加了一些額外的功能。但非虛析構函數的問題依然存在（還有其他問題，參見m33）

最后，值得指出的是，在某些類里聲明純虛析構函數很方便。純虛函數將產生抽象類——不能實例化的類（即不能創建此類型的對象）。有些時候，你想使一個類成為抽象類，但剛好又沒有任何純虛函數。怎么辦？因為抽象類是預備被用做基類的，基類必須要有一個虛析構函數，純虛函數會產生抽象類，所以方法很簡單：在想要成為抽象類的類里聲明一個純虛析構函數。

這里是一個例子：

class awov {                // awov = "abstract w/o
                            // virtuals"
public:
  virtual ~awov() = 0;      // 聲明一個純虛析構函數

};

這個類有一個純虛函數，所以它是抽象的，而且它有一個虛析構函數，所以不會產生析構函數問題。但這里還有一件事：必須提供純虛析構函數的定義：

awov::~awov() {}           // 純虛析構函數的定義

這個定義是必需的，因為虛析構函數工作的方式是：最底層的派生類的析構函數最先被調用，然后各個基類的析構函數被調用。這就是說，即使是抽象類，編譯器也要產生對~awov的調用，所以要保證為它提供函數體。假如不這么做，鏈接器就會檢測出來，最后還是得回去把它添上。

可以在函數里做任何事，但正如上面的例子一樣，什么事都不做也不是不常見。假如是這種情況，那很自然地會想到將析構函數聲明為內聯函數，從而避免對一個空函數的調用所產生的開銷。這是一個很好的方法，但有一件事要清楚。

因為析構函數為虛，它的地址必須進入到類的vtbl（見條款m24）。但內聯函數不是作為獨立的函數存在的（這就是“內聯”的意思），所以必須用非凡的方法得到它們的地址。條款33對此做了全面的介紹，其基本點是：假如聲明虛析構函數為inline，將會避免調用它們時產生的開銷，但編譯器還是必然會在什么地方產生一個此函數的拷貝。

構造函數是用初始化類能者對象的，是不答應用虛函數的。

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