深入解析C++中多态性和虚函数使用原理

1.为什么需要virtual

按照Java的思维方式,在有了继承和向上类型转换(upcasting)之后,就可以实现多态性了。但是在C++中似乎并不能orz。考虑这种情况:

#include<iostream>
using std::cout;
using std::endl;
class A{
public:
 void f() const{
 cout<<"class A's function"<<endl;
 }
};
class B : public A{
public:
 void f() const{
 cout<<"class B's function"<<endl;
 }
};
int main(){
 B b;
 A *ptr_a = &b;
 A &ref_a = b;
 ptr_a->f();//print: class A's function
 ref_a.f();//print: Class A's function
}

在使用基类指针或引用调用一个派生类对象的函数时,我们发现程序仍然在调用基类的函数,要想解决这种情况,就要引入virtual关键字,将上面代码里的class A修改如下,main中的输出就变成类B中f()的输出了。

class A{
public:
 virtual void f() const{
 cout<<"class A's function"<<endl;
 }
};

那么为什么Java不需要呢?因为virtual关键字实现功能的同时,会增加该类一些操作的时间和空间占用,C++将这部分占用的优化决定权交给了程序员,以实现可能的效率提高;而Java内置了virtual的机制,没有提高效率的选择,但是简化了编程。(关于virtual的具体机制,建议参考Thinking in C++)

有两点需要注意的:

  • 第一、当使用基类指针指向派生类时,无法通过基类指针直接调用派生类中增加的函数(基类中没有同名虚函数),除非将基类指针强制类型转换为派生类指针。
  • 第二、只能通过基类指针或者引用来调用派生类对象,如果我们将一个派生类对象通过值传递的方式传递给基类对象,这个对象被真的切成一个基类对象,而不具有任何派生类的内容。

2.纯虚函数和抽象类

在类设计时,常常希望基类仅仅作为派生类的一个接口,被继承实现,而不会去创建基类对象,这时,可以在基类中定义纯虚函数,使其成为一个抽象类。定义纯虚函数语法是在一个虚函数声名的基础上,加上=0。例如:virtual void f() = 0;注意:当继承一个抽象类时,必须实现其所有的纯虚函数,否则继承出的类也是一个抽象类。

一般情况下,在基类中我们不会对纯虚函数进行实现,但是C++提供了实现纯虚函数的机制,这种方法可以让我们定义一段公共代码,使派生类可以公用。

class A{
public:
 virtual void do() = 0; 
};
/*
*纯虚函数不能作为inline函数实现,要放在类外!
*/
void A::do(){
 //一些公共代码
}
class B : public A{
public:
 void do() {
 A::do();
 //其他代码
 }
};

3.构造函数与虚函数

如上文所说,定义一个虚函数时,需要做一些额外的工作,完成这些工作的代码其实被秘密插入到类构造函数的开头部分。那么就有一个问题,如果我们在构造函数中调用虚函数会发生什么现象?答案是,会调用这个虚函数的本地版本,即虚函数机制在构造函数中不工作。
另外,构造函数也不能被定义为虚函数。

4.虚析构函数与纯虚析构函数

构造函数不能被定义为虚函数,而析构函数可以,并且经常被定义为虚函数。

#include<iostream>
using namespace std;
class Base1{
public:
 ~Base1(){cout<<"~Base1()"<<endl;}
};
class Base2{
public:
 virtual ~Base2(){cout<<"~Base2()"<<endl;}
};
class Derived1 : public Base1{
public:
 ~Derived1(){cout<<"~Derived1()"<<endl;}
};
class Derived2 : public Base2{
public:
 ~Derived2(){cout<<"~Derived2()"<<endl;}
};
int main(){
 Base1* pd1 = new Derived1();
 Base2* pd2 = new Derived2();
 delete pd1;
 delete pd2;
}

上面代码的控制台输出:

~Base1()
~Derived2()
~Base2()

上面的代码暴露出在使用多态性时,不把析构函数定义成虚函数所带来的影响。这种错误不会立刻使程序崩溃,但是它不知不觉中使内存泄漏。

5.纯虚析构函数的应用

在一些时候,我们需要定义一个抽象类,但是刚好没有其他纯虚函数,这时候我们不妨将析构函数定义为纯虚的,因为作为基类的析构函数本来就要求为虚函数,将其进一步定义为纯虚函数并无太大不同。唯一需要注意的是,定义纯虚析构函数时必须为其提供函数体,如下。

class A{
public:
 virtual ~A() = 0;
};
A::~A(){ }

class B:public A{
//不一定需要重定义析构函数,根据需要
}

还要注意一点,在析构函数中,虚机制也是不存在的,可通过下面的代码体会。

#include<iostream>
using namespace std;
class Base{
public:
 virtual ~Base(){cout<<"~Base()"<<endl;f();}
 virtual void f(){cout<<"Base::f()"<<endl;}
};
class Derived : public Base{
public:
 ~Derived(){cout<<"~Derived()"<<endl;}
 void f(){cout<<"Derived::f()"<<endl;}
};
int main(){
 Base * pb = new Derived();
 delete pb;
}

控制台输出为:

~Derived()
~Base()
Base::f()

作者:chnmagnus原文地址:https://segmentfault.com/a/1190000005360757?utm_source=sf-similar-article

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