C++中的虛函數(shù)(virtual function)

1.簡介?
????虛函數(shù)是C++中用于實現(xiàn)多態(tài)(polymorphism)的機制。核心理念就是通過基類訪問派生類定義的函數(shù)。假設(shè)我們有下面的類層次：

class A
{
public:
????virtual void foo() { cout << "A::foo() is called" << endl;}
};

class B: public A
{
public:
????virtual void foo() { cout << "B::foo() is called" << endl;}
};

那么，在使用的時候，我們可以：

A * a = new B();
a->foo();???????// 在這里，a雖然是指向A的指針，但是被調(diào)用的函數(shù)(foo)卻是B的!

????這個例子是虛函數(shù)的一個典型應(yīng)用，通過這個例子，也許你就對虛函數(shù)有了一些概念。它虛就虛在所謂“推遲聯(lián)編”或者“動態(tài)聯(lián)編”上，一個類函數(shù)的調(diào)用并不是在編譯時刻被確定的，而是在運行時刻被確定的。由于編寫代碼的時候并不能確定被調(diào)用的是基類的函數(shù)還是哪個派生類的函數(shù)，所以被成為“虛”函數(shù)。

????虛函數(shù)只能借助于指針或者引用來達(dá)到多態(tài)的效果，如果是下面這樣的代碼，則雖然是虛函數(shù)，但它不是多態(tài)的：

class A
{
public:
????virtual void foo();
};

class B: public A
{
????virtual void foo();
};

void bar()
{
????A a;
????a.foo();???// A::foo()被調(diào)用
}

1.1 多態(tài)?
????在了解了虛函數(shù)的意思之后，再考慮什么是多態(tài)就很容易了。仍然針對上面的類層次，但是使用的方法變的復(fù)雜了一些：

void bar(A * a)
{
????a->foo();??// 被調(diào)用的是A::foo() 還是B::foo()？
}

因為foo()是個虛函數(shù)，所以在bar這個函數(shù)中，只根據(jù)這段代碼，無從確定這里被調(diào)用的是A::foo()還是B::foo()，但是可以肯定的說：如果a指向的是A類的實例，則A::foo()被調(diào)用，如果a指向的是B類的實例，則B::foo()被調(diào)用。

這種同一代碼可以產(chǎn)生不同效果的特點，被稱為“多態(tài)”。

1.2 多態(tài)有什么用？?
????多態(tài)這么神奇，但是能用來做什么呢？這個命題我難以用一兩句話概括，一般的C++教程（或者其它面向?qū)ο笳Z言的教程）都用一個畫圖的例子來展示多態(tài)的用途，我就不再重復(fù)這個例子了，如果你不知道這個例子，隨便找本書應(yīng)該都有介紹。我試圖從一個抽象的角度描述一下，回頭再結(jié)合那個畫圖的例子，也許你就更容易理解。

????在面向?qū)ο蟮木幊讨?，首先會針對?shù)據(jù)進(jìn)行抽象（確定基類）和繼承（確定派生類），構(gòu)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?qū)戓槍惖拇a，在需要派生類的時候?qū)戓槍ε缮惖拇a，就等于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”（針對新類寫代碼）。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序中的“bad smell”之一。

????多態(tài)可以使程序員脫離這種窘境。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，它并不知道這個類層次中有多少個類，每個類都叫什么，但是一樣可以很好的工作，當(dāng)有一個C類從A類派生出來后，bar()也不需要“知道”（修改）。這完全歸功于多態(tài)--編譯器針對虛函數(shù)產(chǎn)生了可以在運行時刻確定被調(diào)用函數(shù)的代碼。

1.3 如何“動態(tài)聯(lián)編”?
????編譯器是如何針對虛函數(shù)產(chǎn)生可以再運行時刻確定被調(diào)用函數(shù)的代碼呢？也就是說，虛函數(shù)實際上是如何被編譯器處理的呢？Lippman在深度探索C++對象模型[1]中的不同章節(jié)講到了幾種方式，這里把“標(biāo)準(zhǔn)的”方式簡單介紹一下。

????我所說的“標(biāo)準(zhǔn)”方式，也就是所謂的“VTABLE”機制。編譯器發(fā)現(xiàn)一個類中有被聲明為virtual的函數(shù)，就會為其搞一個虛函數(shù)表，也就是VTABLE。VTABLE實際上是一個函數(shù)指針的數(shù)組，每個虛函數(shù)占用這個數(shù)組的一個slot。一個類只有一個VTABLE，不管它有多少個實例。派生類有自己的VTABLE，但是派生類的VTABLE與基類的VTABLE有相同的函數(shù)排列順序，同名的虛函數(shù)被放在兩個數(shù)組的相同位置上。在創(chuàng)建類實例的時候，編譯器還會在每個實例的內(nèi)存布局中增加一個vptr字段，該字段指向本類的VTABLE。通過這些手段，編譯器在看到一個虛函數(shù)調(diào)用的時候，就會將這個調(diào)用改寫，針對1.1中的例子：

void bar(A * a)
{
????a->foo();
}

會被改寫為：

void bar(A * a)
{
????(a->vptr[1])();
}

????因為派生類和基類的foo()函數(shù)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運行時刻決定調(diào)用哪個foo()函數(shù)。

????雖然實際情況遠(yuǎn)非這么簡單，但是基本原理大致如此。

1.4 overload和override?
????虛函數(shù)總是在派生類中被改寫，這種改寫被稱為“override”。我經(jīng)常混淆“overload”和“override”這兩個單詞。但是隨著各類C++的書越來越多，后來的程序員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數(shù)，就象我們前面B類中重寫了A類中的foo()函數(shù)。重寫的函數(shù)必須有一致的參數(shù)表和返回值（C++標(biāo)準(zhǔn)允許返回值不同的情況，這個我會在“語法”部分簡單介紹，但是很少編譯器支持這個feature）。這個單詞好象一直沒有什么合適的中文詞匯來對應(yīng)，有人譯為“覆蓋”，還貼切一些。?
overload約定成俗的被翻譯為“重載”。是指編寫一個與已有函數(shù)同名但是參數(shù)表不同的函數(shù)。例如一個函數(shù)即可以接受整型數(shù)作為參數(shù)，也可以接受浮點數(shù)作為參數(shù)。?
2. 虛函數(shù)的語法?
????虛函數(shù)的標(biāo)志是“virtual”關(guān)鍵字。

2.1 使用virtual關(guān)鍵字?
????考慮下面的類層次：

class A
{
public:
????virtual void foo();
};

class B: public A
{
public:
????void foo();????// 沒有virtual關(guān)鍵字!
};

class C: public B??// 從B繼承，不是從A繼承！
{
public:
????void foo();????// 也沒有virtual關(guān)鍵字！
};

????這種情況下，B::foo()是虛函數(shù)，C::foo()也同樣是虛函數(shù)。因此，可以說，基類聲明的虛函數(shù)，在派生類中也是虛函數(shù)，即使不再使用virtual關(guān)鍵字。

2.2 純虛函數(shù)?
????如下聲明表示一個函數(shù)為純虛函數(shù)：

class A
{
public:
????virtual void foo()=0;???// =0標(biāo)志一個虛函數(shù)為純虛函數(shù)
};

????一個函數(shù)聲明為純虛后，純虛函數(shù)的意思是：我是一個抽象類！不要把我實例化！純虛函數(shù)用來規(guī)范派生類的行為，實際上就是所謂的“接口”。它告訴使用者，我的派生類都會有這個函數(shù)。

2.3 虛析構(gòu)函數(shù)?
????析構(gòu)函數(shù)也可以是虛的，甚至是純虛的。例如：

class A
{
public:
????virtual ~A()=0;???// 純虛析構(gòu)函數(shù)
};

????當(dāng)一個類打算被用作其它類的基類時，它的析構(gòu)函數(shù)必須是虛的?？紤]下面的例子：

class A
{
public:
????A() { ptra_ = new char[10];}
????~A() { delete[] ptra_;}????????// 非虛析構(gòu)函數(shù)
private:
????char * ptra_;
};

class B: public A
{
public:
????B() { ptrb_ = new char[20];}
????~B() { delete[] ptrb_;}
private:
????char * ptrb_;
};

void foo()
{
????A * a = new B;
????delete a;
}

????在這個例子中，程序也許不會象你想象的那樣運行，在執(zhí)行delete a的時候，實際上只有A::~A()被調(diào)用了，而B類的析構(gòu)函數(shù)并沒有被調(diào)用！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的時候被調(diào)用了。因此基類的析構(gòu)函數(shù)都必須是virtual的。

????純虛的析構(gòu)函數(shù)并沒有什么作用，是虛的就夠了。通常只有在希望將一個類變成抽象類（不能實例化的類），而這個類又沒有合適的函數(shù)可以被純虛化的時候，可以使用純虛的析構(gòu)函數(shù)來達(dá)到目的。

2.4 虛構(gòu)造函數(shù)？?
????構(gòu)造函數(shù)不能是虛的。

3. 虛函數(shù)使用技巧 3.1 private的虛函數(shù)?
????考慮下面的例子：

class A
{
public:
????void foo() { bar();}
private:
????virtual void bar() { ...}
};

class B: public A
{
private:
????virtual void bar() { ...}
};

????在這個例子中，雖然bar()在A類中是private的，但是仍然可以出現(xiàn)在派生類中，并仍然可以與public或者protected的虛函數(shù)一樣產(chǎn)生多態(tài)的效果。并不會因為它是private的，就發(fā)生A::foo()不能訪問B::bar()的情況，也不會發(fā)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()函數(shù)，但是你不要管它如何使用，也不要自己調(diào)用這個函數(shù)。

3.2 構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)中的虛函數(shù)調(diào)用?
????一個類的虛函數(shù)在它自己的構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)中被調(diào)用的時候，它們就變成普通函數(shù)了，不“虛”了。也就是說不能在構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)中讓自己“多態(tài)”。例如：

class A
{
public:
????A() { foo();}????????// 在這里，無論如何都是A::foo()被調(diào)用！
????~A() { foo();}???????// 同上
????virtual void foo();
};

class B: public A
{
public:
????virtual void foo();
};

void bar()
{
????A * a = new B;
????delete a;
}

????如果你希望delete a的時候，會導(dǎo)致B::foo()被調(diào)用，那么你就錯了。同樣，在new B的時候，A的構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用，但是在A的構(gòu)造函數(shù)中，被調(diào)用的是A::foo()而不是B::foo()。

3.3 多繼承中的虛函數(shù) 3.4 什么時候使用虛函數(shù)?
????在你設(shè)計一個基類的時候，如果發(fā)現(xiàn)一個函數(shù)需要在派生類里有不同的表現(xiàn)，那么它就應(yīng)該是虛的。從設(shè)計的角度講，出現(xiàn)在基類中的虛函數(shù)是接口，出現(xiàn)在派生類中的虛函數(shù)是接口的具體實現(xiàn)。通過這樣的方法，就可以將對象的行為抽象化。

????以設(shè)計模式[2]中Factory Method模式為例，Creator的factoryMethod()就是虛函數(shù)，派生類override這個函數(shù)后，產(chǎn)生不同的Product類，被產(chǎn)生的Product類被基類的AnOperation()函數(shù)使用?；惖腁nOperation()函數(shù)針對Product類進(jìn)行操作，當(dāng)然Product類一定也有多態(tài)（虛函數(shù)）。

????另外一個例子就是集合操作，假設(shè)你有一個以A類為基類的類層次，又用了一個std::vector來保存這個類層次中不同類的實例指針，那么你一定希望在對這個集合中的類進(jìn)行操作的時候，不要把每個指針再cast回到它原來的類型（派生類），而是希望對他們進(jìn)行同樣的操作。那么就應(yīng)該將這個“一樣的操作”聲明為virtual。

????現(xiàn)實中，遠(yuǎn)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(fā)現(xiàn)一個函數(shù)需要在派生類里有不同的表現(xiàn)，那么它就應(yīng)該是虛的”。這句話也可以反過來說：“如果你發(fā)現(xiàn)基類提供了虛函數(shù)，那么你最好override它”。

4.參考資料?
[1] 深度探索C++對象模型，Stanley B.Lippman，侯捷譯

[2] Design Patterns, Elements of Reusable Object-Oriented Software, GOF