解析C++中的虛擬函數及其靜態類型和動態類型

2020-05-23 14:02:28

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

虛擬函數是C++語言引入的一個很重要的特性，它提供了“動態綁定”機制，正是這一機制使得繼承的語義變得相對明晰。
（1）基類抽象了通用的數據及操作，就數據而言，如果該數據成員在各派生類中都需要用到，那么就需要將其聲明在基類中；就操作而言，如果該操作對各派生類都有意義，無論其語義是否會被修改或擴展，那么就需要將其聲明在基類中。
（2）有些操作，如果對于各個派生類而言，語義保持完全一致，而無需修改或擴展，那么這些操作聲明為基類的非虛擬成員函數。各派生類在聲明為基類的派生類時，默認繼承了這些非虛擬成員函數的聲明/實現，如同默認繼承基類的數據成員一樣，而不必另外做任何聲明，這就是繼承帶來的代碼重用的優點。
（3）另外還有一些操作，雖然對于各派生類而言都有意義，但是其語義并不相同。這時，這些操作應該聲明為基類的虛擬成員函數。各派生類雖然也默認繼承了這些虛擬成員函數的聲明/實現，但是語義上它們應該對這些虛擬成員函數的實現進行修改或者擴展。另外在實現這些修改或擴展過程中，需要用到額外的該派生類獨有的數據時，將這些數據聲明為此派生類自己的數據成員。
再考慮更大背景下的繼承體系，當更高層次的程序框架（繼承體系的使用者）使用此繼承體系時，它處理的是一個抽象層次的對象集合（即基類）。雖然這個對象集合的成員實質上可能是各種派生類對象，但在處理這個對象集合中的對象時，它用的是抽象層次的操作。并不區分在這些操作中，哪些操作對各派生類來說是保持不變的，而哪些操作對各派生類來說有所不同。這是因為，當運行時實際執行到各操作時，運行時系統能夠識別哪些操作需要用到“動態綁定”，從而找到對應此派生類的修改或擴展的該操作版本。
也就是說，即只需關心它自己問題域的業務邏輯，只要保證正確，其任務就算完成了
。即使繼承體系內部增加了某種派生類，或者刪除了某種派生類，或者某某派生類的某個虛擬函數的實現發生了改變，它的代碼不必任何修改。這也意味著，程序的模塊化程度得到了極大的提高。而模塊化的提高也就意味著可擴展性、可維護性，以及代碼的可讀性的提高，這也是“面向對象”編程的一個很大的優點。

虛擬函數的靜態類型和動態類型
先來看一個問題，如果一個子類重載的虛擬函數為privete，那么通過父類的指針可以訪問到它嗎？

#include <IOSTREAM> class B { public:   virtual void fun()    {     std::cout << "base fun called";   }; }; class D : public B  { private:   virtual void fun()    {     std::cout << "driver fun called";   }; }; int main(int argc, char* argv[]) {     B* p = new D();   p->fun();   return 0; }

運行時會輸出

driver fun called

從這個實驗，可以更深入的了解虛擬函數編譯時的一些特征:

在編譯虛擬函數調用的時候，例如p->fun(); 只是按其靜態類型來處理的, 在這里p的類型就是B，不會考慮其實際指向的類型（動態類型）。

也就是說，碰到p->fun();編譯器就當作調用B的fun來進行相應的檢查和處理。

因為在B里fun是public的，所以這里在“訪問控制檢查”這一關就完全可以通過了。然后就會轉換成(*p->vptr[1])(p)這樣的方式處理, p實際指向的動態類型是D，所以p作為參數傳給fun后(類的非靜態成員函數都會編譯加一個指針參數，指向調用該函數的對象，我們平常用的this就是該指針的值）, 實際運行時p->vptr[1]則獲取到的是D::fun()的地址，也就調用了該函數, 這也就是動態運行的機理。

為了進一步的實驗，可以將B里的fun改為private的，D里的改為public的，則編譯就會出錯。

C++的注意條款中有一條" 絕不重新定義繼承而來的缺省參數值" （Effective C++ Item37， never redefine a function's inherited default parameter value) 也是同樣的道理。
可以再做個實驗

class B { public:   virtual void fun(int i = 1)    {     std::cout << "base fun called, " << i;   }; }; class D : public B  { private:   virtual void fun(int i = 2)    {     std::cout << "driver fun called, " << i;   }; };

則運行會輸出