# [20] 继承 — 虚函数 ## FAQs in section [20]: * [20.1] 什么是“虚成员函数”？ * [20.2] C++ 怎样同时实现动态绑定和静态类型？ * [20.3] 虚成员函数和非虚成员函数调用方式有什么不同？ * [20.4] 析构函数何时该时虚拟的？ * [20.5] 什么是“虚构造函数(`virtual` constructor)”？ ## 20.1 什么是“虚成员函数”？ 从面向对象观点来看，它是 C++ 最重要的特征：[6.8], [6.9]. 虚函数允许派生类取代基类所提供的实现。编译器确保当对象为派生类时，取代者（译注：即派生类的实现）总是被调用，即使对象是使用基类指针访问而不是派生类的指针。这样就允许基类的算法被派生类取代，即使用户不知道派生类的细节。 派生类可以完全地取代基类成员函数（覆盖(override)），也可以部分地取代基类成员函数（增大(augment)）。如果愿意的话，后者由派生类成员函数调用基类成员函数来完成。 ## 20.2 C++ 怎样同时实现动态绑定和静态类型？ 当你有一个对象的指针，而对象实际是该指针类型的派生类（例如：一个 `Vehicle*`指针实际指向一个Car 对象）。由此有两种类型：指针的（静态）类型（在此是`Verhicle`），和指向的对象的（动态）类型（在此是Car）。 _静态类型_意味着成员函数调用的合法性被尽可能早地检查：编译器在编译时。编译器用指针的静态类型决定成员函数调用是否合法。如果指针类型能够处理成员函数，那么指针所指对象当然能很好的处理它。例如，如果 `Vehicle` 有某个成员函数，则由于`Car`是一种`Vehicle`，那么`Car` 当然也有该成员函数。 _动态绑定_意味着成员函数调用的代码地址在最终时刻才被决定：基于运行时的对象动态类型。因为绑定到实际被调用的代码这个过程是动态完成的（在运行时），所以被称为“动态绑定”。动态绑定是虚函数导致的结果之一。 ## 20.3 虚成员函数和非虚成员函数调用方式有什么不同？ 非虚成员函数是静态确定的。也就是说，该成员函数（在编译时）被静态地选择，该选择基于指象对象的指针（或引用）的类型。 相比而言，虚成员函数是动态确定的（在运行时）。也就是说，成员函数（在运行时）被动态地选择，该选择基于对象的类型，而不是指向该对象的指针/引用的类型。这被称作“动态绑定”。大多数的编译器使用以下的一些的技术：如果对象有一个或多个虚函数，编译器将一个 隐藏的指针放入对象，该指针称为“virtual-pointor”或“v-pointer”。这个v-pointer指向一个全局表，该表称为“虚函数表（virtural-table）”或“v-table”。 编译器为每个含有至少一个虚函数的类创建一个v-table。例如，如果`Cirle`类有虚函数d`draw()`、`move()` 和 `resize()`，那么将有且只有一个和Cricle类相关的v-table，即使有一大堆Circle对象。并且每个 `Circle`对象的 v-poiner将指向 `Circle`的这个 v-table。该 v-table自己有指向类的各个虚函数的指针。例如，`Circle` 的v-table 会有三个指针：一个指向`Circle::draw()`，一个指向 `Circle::move()`，还有一个指向`Circle::resize()`。 在分发一个虚函数时，运行时系统跟随对象的 v-pointer找到类的 v-table，然后跟随v-table中适当的项找到方法的代码。 以上技术的空间开销是存在的：每个对象一个额外的指针（仅仅对于需要动态绑定的对象），加上每个方法一个额外的指针（仅仅对于虚方法）。时间开销也是有的：和普通函数调用比较，虚函数调用需要两个额外的步骤（得到v-pointer的值，得到方法的地址）。由于编译器在编译时就通过指针类型解决了非虚函数的调用，所以这些开销不会发生在非虚函数上。 注意：由于没有涉及诸如多继承，虚继承，RTTI等内容，也没有涉及诸如page fault，通过指向函数的指针调用函数等空间/时间论的内容，所以以上讨论是相当简单的。如果你想知道其他的内容，请询问 _[`comp.lang.c++`](news:comp.lang.c++)_；而不要给我发E-MAIL！ ## 20.4 析构函数何时该时虚拟的？ 当你可能通过基类指针删除派生类对象时。 虚函数绑定到对象的类的代码，而不是指针/引用的类。如果基类有虚析构函数，`delete basePtr`时（译注：即基类指针），`*basePtr` 的对象类型的析构函数被调用，而不是该指针的类型的析构函数。这通常是一件好事情。 _TECHNO-GEEK WARNING; PUT YOUR PROPELLER HAT ON._ 从技术上来说，如果你打算允许其他人通过基类指针调用对象的析构函数（通过`delete`这样做是正常的），并且被析构的对象是有重要的析构函数的派生类的对象，就需要让基类的析构函数成为虚拟的。如果一个类有显式的析构函数，或者有成员对象，该成员对象或基类有重要的析构函数，那么这个类就有重要的析构函数。（注意这是一个递归的定义（例如，某个具有重要析构函数的类，它有一个成员对象（它有基类（该基类有成员对象（它有基类（该基类有显式的析构函数）））））） _END TECHNO-GEEK WARNING; REMOVE YOUR PROPELLER HAT_ 如果你对以上的规则理解有困难，试试这个简单的：类应该有虚析构函数，除非这个类没有虚函数。原理：如果有虚函数，说明你想通过基类指针来使用派生对象，并且你所可能做的事情之中，可能包含了调用析构函数（通常通过`delete`隐含完成）。一旦你在类中加上了一个虚函数，你就已经需要为每一个对象支付空间代价（每个对象一个指针；注意这是理论上的编译器特性；实际上每个编译器都是这样做的），所以这时使析构函数成为虚拟的通常不会额外付出什么。 ## 20.5 什么是“虚构造函数(`virtual` constructor)”？ 一种允许你做一些 C++ 不直接支持的事情的用法。 你可能通过虚函数 `virtual` `clone()`（对于拷贝构造函数）或虚函数 `virtual` `create()`（对于默认构造函数），得到虚构造函数产生的效果。 ```  class Shape {  public:    virtual ~Shape() { }                 // 虚析构函数    virtual void draw() = 0;             // 纯虚函数    virtual void move() = 0;    // ...    virtual Shape* clone()  const = 0;   // 使用拷贝构造函数_    virtual Shape* create() const = 0;   // 使用默认构造函数  };  class Circle : public Shape {  public:    Circle* clone()  const { return new Circle(*this); }    Circle* create() const { return new Circle();      }    // ...  }; ``` 在 `clone()` 成员函数中，代码 `new Circle(*this)` 调用 `Circle` 的拷贝构造函数来复制`this`的状态到新创建的`Circle`对象。在 `create()`成员函数中，代码 `new Circle()` 调用`Circle`的默认构造函数。 用户将它们看作“虚构造函数”来使用它们： ```  void userCode(Shape& s)  {    Shape* s2 = s.clone();    Shape* s3 = s.create();    // ...    delete s2;    // 在此处，你可能需要虚析构函数    delete s3;  } ``` 这个函数将正确工作，而不管 `Shape` 是一个`Circle`，`Square`，或是其他种类的 `Shape`，甚至它们还并不存在。 注意：成员函数`Circle`'s `clone()`的返回值类型故意与成员函数`Shape`'s `clone()`的不同。这种特征被称为“协变的返回类型”，该特征最初并不是语言的一部分。如果你的编译器不允许在`Circle`类中这样声明`Circle* clone() const`（如，提示“The return type is different”或“The member function's type differs from the base class virtual function by return type alone”），说明你的编译器陈旧了，那么你必须改变返回类型为`Shape*。`