虛函數(shù)，C++開(kāi)發(fā)者如何有效利用

什么是虛函數(shù)？

虛函數(shù)是基類中聲明的成員函數(shù)，且使用者期望在派生類中將其重新定義。那么，在C++ 中，什么是虛函數(shù)呢？在C++ 中，通常將虛函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)多態(tài)，該特性由 C++ 提供，適用于面向?qū)ο?a target="_blank">編程。我們將在下文更為詳細(xì)地討論運(yùn)行時(shí)多態(tài)。不論函數(shù)調(diào)用所使用的指針或引用類型如何，虛函數(shù)最為重要的工作是確保函數(shù)調(diào)用正確。

1虛函數(shù)的使用規(guī)則

C++虛函數(shù)必須遵循幾個(gè)關(guān)鍵規(guī)則：

• 在基類中使用virtual關(guān)鍵詞來(lái)聲明函數(shù)

• 虛函數(shù)不能為靜態(tài)函數(shù)

• 為實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)多態(tài)，應(yīng)使用指針或引用來(lái)訪問(wèn)虛擬函數(shù)

• 對(duì)于基類和派生類而言，此類函數(shù)的原型應(yīng)該相同（允許使用協(xié)變式返回類型，我們將在下文進(jìn)行討論）

• 如果基類中含有虛函數(shù)，則應(yīng)該使用虛擬析構(gòu)函數(shù)，防止析構(gòu)函數(shù)調(diào)用錯(cuò)誤

2 用 C++ 運(yùn)行虛函數(shù)的示例

虛函數(shù)在C++ 中的運(yùn)行情況：

复制class Pet {
public:
    virtual ~Pet() {}
    virtual void make_sound() const = 0;
};


class Dog: public Pet {
public:
    virtual void make_sound() const override {
        std::cout << "raf raf
";
    }
};


class Cat: public Pet {
public:
    virtual void make_sound() const override {
        std::cout << "mewo
";
    }
};


int main() {
    Cat mitzi;
    Dog roxy;
    Pet *pets[] = {&mitzi, &roxy};
    for(auto pPet: pets) {
        pPet->make_sound();
    }
}

复制class PetFactory {
public:
    virtual ~PetFactory() {}
    virtual Pet* create() const = 0;
} 


class DogFactory: public PetFactory {
public:
    virtual Dog* create() const override {
        return new Dog();
    }
}; 


class CatFactory: public PetFactory {
public:
    virtual Cat* create() const override {
        return new Cat();
    }
};


int main() {
    std::vector pets;
    DogFactory df;
    CatFactory cf;
    PetFactory* petFactory[] = {&df, &cf};
    for(auto factory: petFactory) {
        pets.push_back(factory->create());
    }
    for(auto pPet: pets) {
        pPet->make_sound();
    }
    for(auto pPet: pets) {
        delete pPet;
    }
}

現(xiàn)在，如果您已經(jīng)花費(fèi)時(shí)間研究過(guò) C++，可能會(huì)注意到，不需要由虛函數(shù)來(lái)重新定義派生類中的基函數(shù)。但存在這樣的巨大區(qū)別，使得虛函數(shù)不可或缺：虛函數(shù)覆寫(xiě)基類函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)多態(tài)。從本質(zhì)上講，多態(tài)指一個(gè)函數(shù)或?qū)ο笠圆煌绞綀?zhí)行的能力，具體情況視使用方式而定。這屬于面向?qū)ο缶幊痰?/span>關(guān)鍵特性——結(jié)合其他眾多特性，使得 C++ 作為編程語(yǔ)言而有別于 C 語(yǔ)言。

复制class Prism {
    double height;
public:
    virtual ~Prism() {}
    virtual double baseArea() const = 0;
    double volume() const {
        return height * baseArea();
    }
    // ...
};


class Cylinder: public Prism {
    double radius;
public:
    double baseArea() const override {
         return radius * radius * std::pi
    }
    // ...
};

虛函數(shù)功能極為強(qiáng)大，但它們并非毫無(wú)缺點(diǎn)。開(kāi)始使用虛函數(shù)前，您應(yīng)該注意以下事項(xiàng)：

1 性能

無(wú)論是在運(yùn)行時(shí)性能還是在內(nèi)存方面，虛函數(shù)成本都要比普通函數(shù)高。

內(nèi)存部分通常冗余，取決于實(shí)現(xiàn)方式，但最為常見(jiàn)的是每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)額外內(nèi)部指針。這并不是什么大問(wèn)題，除非我們有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的小對(duì)象，這些小對(duì)象的額外指針可能會(huì)引起內(nèi)存問(wèn)題。

函數(shù)的運(yùn)行時(shí)性能成本不是一次跳轉(zhuǎn)而是兩次跳轉(zhuǎn)，或者如果可以內(nèi)聯(lián)函數(shù)，性能成本就是兩次跳轉(zhuǎn)而不是零次跳轉(zhuǎn)。虛函數(shù)需要跳轉(zhuǎn)到虛函數(shù)表，再跳轉(zhuǎn)到函數(shù)本身。這種額外跳轉(zhuǎn)增加了 CPU 指令緩存中指令未準(zhǔn)備就緒的概率，因此，這兩次跳轉(zhuǎn)并非唯一成本。

最后，如果您需要實(shí)現(xiàn)多態(tài)，與其他替代方案相比，性能方面的額外成本通常也在情理之中。然而，若要將第一個(gè)虛函數(shù)添加到類中，通常需要考慮額外成本。

2設(shè)計(jì)問(wèn)題

繼承，特別是虛函數(shù)，會(huì)引起設(shè)計(jì)問(wèn)題。繼承層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)糟糕可能會(huì)導(dǎo)致類膨脹和類之間關(guān)系異常。

從構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)調(diào)用虛函數(shù)的規(guī)則也會(huì)影響您的設(shè)計(jì)。從構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)調(diào)用的任何虛函數(shù)都不是多態(tài)函數(shù)，這樣一來(lái)，有時(shí)需要將操作從構(gòu)造函數(shù)轉(zhuǎn)移到 init 虛擬函數(shù)。

為避免糟糕設(shè)計(jì)，應(yīng)切記繼承和多態(tài)并非是應(yīng)對(duì)任何問(wèn)題的最佳解決方案。請(qǐng)觀看 Sean Parent 的演講”Inheritance is the Base Class of Evil“，深入了解相關(guān)內(nèi)容。

3 調(diào)試，容易出錯(cuò)

諷刺的是，虛函數(shù)面臨的挑戰(zhàn)之一是缺乏彈性。

由于需要遵循調(diào)用流程，調(diào)試虛函數(shù)調(diào)用可能會(huì)變得稍顯混亂。一般來(lái)說(shuō)，遵循函數(shù)調(diào)用并不十分困難，但根據(jù)對(duì)象類型，在遵循隱藏調(diào)度方面，仍然需要進(jìn)行額外工作。調(diào)試器會(huì)自行糾正錯(cuò)誤，但決定斷點(diǎn)位置可能會(huì)變得更加困難。

至于更容易出錯(cuò)，在某些情況下，不應(yīng)調(diào)用虛函數(shù)的基類實(shí)現(xiàn)；而在某些情況下，應(yīng)在開(kāi)始時(shí)調(diào)用，有時(shí)也在結(jié)束時(shí)調(diào)用。由于忘記調(diào)用基類實(shí)現(xiàn)，或是在錯(cuò)誤的地方、不需要的時(shí)候調(diào)用，使用虛函數(shù)極其容易出錯(cuò)。