MISRA C++針對(duì)使用多態(tài)性的規(guī)避方法與建議

多態(tài)性是C++的一個(gè)重要特征。從廣義上說，多態(tài)性是指一段程序能夠處理多種類型對(duì)象的能力；具體地講，多態(tài)性就是對(duì)不同對(duì)象發(fā)出同樣的指令時(shí)，不同對(duì)象會(huì)有不同的行為。

如果程序員充分利用C++的多態(tài)性，設(shè)計(jì)程序的運(yùn)行方式會(huì)更加靈活多樣，但是會(huì)帶來一些暗藏的細(xì)節(jié)問題。這些細(xì)節(jié)的漏洞也許會(huì)通過編譯，但是在某些情況下，不可預(yù)測(cè)的結(jié)果或者背離編程者初衷的結(jié)果都會(huì)導(dǎo)致程序變得混亂不堪，甚至產(chǎn)生較大的風(fēng)險(xiǎn)。為了規(guī)避這些風(fēng)險(xiǎn)，MISRA C++推薦了一些編程規(guī)則。這些規(guī)則能夠幫助程序員更加完備或者完美地實(shí)現(xiàn)多態(tài)性，充分體現(xiàn)C++相比于傳統(tǒng)C語言的一些優(yōu)勢(shì)。

本文主要介紹兩類在實(shí)現(xiàn)形式的多態(tài)性中需要注意的一些問題：一是運(yùn)算符的重載，這是編譯時(shí)的多態(tài)性，即程序在編譯時(shí)就能根據(jù)重載的情況確定需要調(diào)用的函數(shù)；二是虛函數(shù)的使用，這是運(yùn)行時(shí)的多態(tài)性，即在程序執(zhí)行前，無法根據(jù)函數(shù)名和參數(shù)來確定調(diào)用哪個(gè)函數(shù)，必須在程序執(zhí)行過程中，根據(jù)執(zhí)行的具體情況來動(dòng)態(tài)確定。

1 運(yùn)算符的重載

運(yùn)算符重載就是定義某個(gè)運(yùn)算符對(duì)于某個(gè)類的具體含義。通過運(yùn)算符的重載，程序員可以針對(duì)一些特定的類型使用重載的運(yùn)算符含義。

規(guī)則5-2-11（強(qiáng)制）：逗號(hào)（，），與（＆＆）以及或（||）運(yùn)算符不允許被重載。

如果getValue和setValue的返回類型使用重載運(yùn)算符&&，則這兩個(gè)函數(shù)都需要計(jì)算。

C++的內(nèi)部規(guī)定是，&&和||都是在已知結(jié)果的情況下不再計(jì)算后面的值，比如0&&（a--）&& （b++）。然而重載＆&運(yùn)算符和||運(yùn)算符導(dǎo)致了程序運(yùn)行時(shí)要計(jì)算所有的表達(dá)式。這對(duì)于一些使用&&做判斷的運(yùn)算來說，會(huì)導(dǎo)致一些錯(cuò)誤。比如getchar（）&&putchar（），在讀取文件時(shí)，如果讀到文件尾部，即得到getchar（）為0時(shí)，就不需要再執(zhí)行putchar（）了，這樣才能正確地讀取并輸出文件。如果重載&&運(yùn)算符，那么先需要計(jì)算getchar（）和 putchar（）的結(jié)果，再執(zhí)行＆＆運(yùn)算符的重載定義，這樣可能會(huì)導(dǎo)致一些不可知的錯(cuò)誤。這樣的重載，會(huì)導(dǎo)致編譯器在處理&&和||運(yùn)算符時(shí)產(chǎn)生混亂，所以是比較危險(xiǎn)的。

對(duì)于逗號(hào)表達(dá)式來說，默認(rèn)情況下，編譯器按照逗號(hào)表達(dá)式規(guī)定的順序計(jì)算各個(gè)表達(dá)式。但是如果重載操作逗號(hào)表達(dá)式，因?yàn)樾枰葯z查逗號(hào)兩邊的表達(dá)式類型，來判斷是否使用重載定義的類型，所以會(huì)導(dǎo)致計(jì)算順序的混亂。這樣比較危險(xiǎn)，會(huì)產(chǎn)生一些不可知的錯(cuò)誤。雖然在C++并沒有限制這3個(gè)運(yùn)算符的重載問題，但是從這個(gè)例程和MISRA C++的規(guī)則來看，有些時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一些不可預(yù)知的錯(cuò)誤，所以MISRA C++不允許重載上面3個(gè)運(yùn)算符。

規(guī)則5-3-3（強(qiáng)制）：?jiǎn)文窟\(yùn)算符＆不允許被重載。

f1．cc和f2．cc的區(qū)別就在于f1．cc只聲明了A類，而f2．cc包含了A．h。f1．cc僅聲明A類，不會(huì)使用A類定義的重載運(yùn)算，所以 f1．cc的8L運(yùn)算符使用C++內(nèi)部的取地址定義。f2．cc包含了頭文件A．h，因?yàn)锳．h包含了A類的完整定義，所以f2．cc的&運(yùn)算符就會(huì)使用用戶定義的重載操作。在同樣一個(gè)工程中，僅僅是對(duì)A類的聲明不同，就導(dǎo)致了在f2．cc中，&a使用用戶定義的&運(yùn)算符含義，而在f1．cc中，＆a使用C++內(nèi)部定義的＆運(yùn)算符含義。

這樣差別會(huì)導(dǎo)致程序員在重載&運(yùn)算符后，無法得知&運(yùn)算符有沒有使用重載的定義。這樣做是比較危險(xiǎn)的，可能會(huì)產(chǎn)生與程序員意愿不同的結(jié)果。雖然在C++中并沒有限制對(duì)單目運(yùn)算符的重載操作，但是從上面的例程可以看出，MISRA C++不允許重載&運(yùn)算符是很有必要的。

2 虛函數(shù)的使用

虛函數(shù)是C++中一類特殊的函數(shù)。在基類中定義一個(gè)虛函數(shù)，就說明該函數(shù)在派生類中可能有不同的實(shí)現(xiàn)方式。當(dāng)派生類的實(shí)例調(diào)用這個(gè)虛函數(shù)時(shí)，首先會(huì)在派生類中去查看該函數(shù)有沒有被定義。如果派生類定義了這個(gè)函數(shù)，則執(zhí)行派生類的函數(shù)；否則，在派生路徑上尋找最近的該函數(shù)的定義，并調(diào)用該函數(shù)。

如果從基類派生出多個(gè)派生類，那么每個(gè)派生類都可以重新定義這個(gè)虛函數(shù)。如果通過基類的指針指向派生類的對(duì)象，并訪問該虛函數(shù)，會(huì)對(duì)應(yīng)地調(diào)用每個(gè)派生類的函數(shù)定義。這樣通過基類類型的指針，就可以使屬于不同派生類的對(duì)象產(chǎn)生不同的行為，從而實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行過程的多態(tài)。

關(guān)于虛函數(shù)，MISRA C++有以下幾條規(guī)則：

規(guī)則10-3-1（強(qiáng)制）：在每一個(gè)繼承路徑上，虛函數(shù)只能有一個(gè)定義。防止按優(yōu)先度調(diào)用。

例外：析構(gòu)函數(shù)可以定義為虛函數(shù)，在每一個(gè)派生類上都可以有定義。

如果一個(gè)函數(shù)在同一個(gè)類中被聲明為純虛函數(shù)，但是還有定義，這樣的定義就會(huì)被忽略。

在例程的后半段是關(guān)于按優(yōu)先度調(diào)用的解釋，表1顯示的是例程中每個(gè)函數(shù)的調(diào)用和定義關(guān)系。b2．f1（）是按照正常的繼承關(guān)系來調(diào)用foo（）函數(shù)，并且調(diào)用的是V類中foo（）的定義。d．f2（）和d．f1（）都是按照優(yōu)先度調(diào)用的。它們雖然最后都是調(diào)用了foo（）函數(shù)，但是經(jīng)過的繼承路徑卻不相同，而且它們最后只能調(diào)用到B1類中foo（）的定義。為了防止這種情況發(fā)生，所以Misra C++規(guī)定，虛函數(shù)在一個(gè)繼承路徑上，只能有一個(gè)函數(shù)定義。

例程的前半部分描述了多個(gè)類的繼承關(guān)系，每個(gè)類都包括對(duì)幾個(gè)函數(shù)的定義和聲明。這里簡(jiǎn)單介紹一下f1（）函數(shù)，讀者可以通過表2的內(nèi)容來理解其他函數(shù)。 f1在A類中是虛函數(shù)，而且有定義，在C類中有定義，所以當(dāng)D類繼承C類時(shí)，D類中就不能再有定義（“√”表示可以定義，“*”表示不推薦再繼續(xù)定義）。例外是f4，雖然它在A類中有定義，但是因?yàn)樗羌兲摵瘮?shù)，所以它的定義會(huì)被忽略。

這個(gè)規(guī)則說明，如果在一個(gè)繼承路徑上有兩個(gè)函數(shù)定義，在調(diào)用函數(shù)時(shí)，有可能按照繼承的優(yōu)先度調(diào)用函數(shù)。這樣就會(huì)導(dǎo)致函數(shù)調(diào)用的混亂，可能會(huì)調(diào)不到程序員希望的函數(shù)。這是在實(shí)現(xiàn)多態(tài)時(shí)需要特別注意的地方。關(guān)于繼承路徑上的函數(shù)定義，C++并沒有明確限制。

從上面的例程可以看出，如果沒有這樣的限制，就會(huì)產(chǎn)生一些混亂，雖然程序能夠正常運(yùn)行，但是不一定能夠按照程序員所設(shè)計(jì)的方式運(yùn)行。這樣的運(yùn)行方式會(huì)出現(xiàn)很多漏洞，所以MISRA C++強(qiáng)制規(guī)定在每一個(gè)繼承路徑上，虛函數(shù)只能有一個(gè)定義。

規(guī)則10-3-2（強(qiáng)制）：每一個(gè)重載的虛函數(shù)應(yīng)該用關(guān)鍵字virtual來聲明。

這樣做不需要檢查基類，就可以確定函數(shù)是否為虛函數(shù)。MISRA C++推出這樣的規(guī)則是為了使C++程序更加完善。

規(guī)則10-3-3（強(qiáng)制）：只有被聲明為純虛函數(shù)的虛函數(shù)，才能被純虛函數(shù)重載。

foo函數(shù)在A類中定義為純虛函數(shù)，在B類中被重載為普通虛函數(shù)。而C類使用純虛函數(shù)重載foo函數(shù)。這樣做是不行的。

B類中foo函數(shù)重載A類的foo函數(shù)時(shí)，是用有定義的虛函數(shù)重載純虛函數(shù)，這樣做是可以的。

C類中的foo函數(shù)重載B類的foo函數(shù)時(shí)，是用純虛函數(shù)重載一個(gè)非純虛函數(shù)，這樣是不行的。在C類中，foo被定義為純虛函數(shù)，在C類的對(duì)象調(diào)用foo 函數(shù)時(shí)無法調(diào)用到B類中的定義。這樣的重載導(dǎo)致B類中對(duì)foo函數(shù)的定義丟失。

所以MISRA C++不允許使用純虛函數(shù)重載非純虛函數(shù)，這樣做的目的也是為了使C++程序更加安全。

3 小結(jié)

正確并完備地實(shí)現(xiàn)C++的多態(tài)性，能夠充分發(fā)揮C++的優(yōu)勢(shì)，并且提高程序的可讀性和可維護(hù)性。如果使用不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致一些想象不到的程序漏洞。MISRA C++針對(duì)使用多態(tài)性可能產(chǎn)生的一些漏洞，提出了規(guī)避的方法與建議。本文列出了其中幾條比較關(guān)鍵和實(shí)用的規(guī)則。關(guān)于多態(tài)性的其他規(guī)則，讀者可以查看。 MISRA C++（2008），以避免不正確使用多態(tài)性所導(dǎo)致的一些程序漏洞。

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