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C++程序员避不开虚函数的,就像C语言程序员避不开指针一样

ccvgpt 2024-11-12 09:54:00 基础教程 4 ℃

初学者刚接触C++语言中的 virtual 函数(虚函数)时,常常会感觉到迷惑,比如,书上说虚函数定义在基类中,其他继承此基类的派生类都可以重写该虚函数,因此虚函数是C++语言多态特性中非常重要的概念。但是派生类也可以重写基类中的其他的常规函数(非虚函数)呀,那为什么还要引入虚函数这样看起来很复杂的概念呢?

“猫吃老鼠”

本文不打算从理论上探讨C++语言引入虚函数的原因,那样太枯燥乏味了,我们先来看一个例子,直观上感觉下常规(非虚)函数在面向对象编程中的局限性,请看:

C++程序员避不开虚函数的,就像C语言程序员避不开指针一样

class Animal
{
public:
    void eat() {
         std::cout << "I'm eating generic food." 
    }
};

class Cat : public Animal
{
public:
    void eat() { 
    std::cout << "I'm eating a rat.";
    }
};

上面这段C++语言代码定义了Animal(动物)和Cat(猫)两个类,其中Cat继承了Animal(猫显然是动物),我们可以在 main() 函数中使用这两个类:

Animal *animal = new Animal;
Cat *cat = new Cat;

animal->eat(); // 输出: "I'm eating generic food."
cat->eat();    // 输出: "I'm eating a rat."

到这里一切都挺好的,动物吃食物,猫吃老鼠,即使不使用virtual关键字定义虚函数也完全没有问题。

现在我们稍稍修改下这段C++语言代码,引入另外一个函数func()(暂时不考虑实用性,仅做示例),它的代码如下,请看:

void func(Animal *xyz)
{
    xyz->eat();
}

现在我们在 main() 函数中调用 func() 函数,相关的C++语言代码示例如下,请看:

Animal *animal = new Animal;
Cat *cat = new Cat;

func(animal); // 输出: "I'm eating generic food."
func(cat);    // 输出: "I'm eating generic food."

出问题了~请注意第二个 func() 函数调用,我们传递了一个Cat对象指针给它,但是输出的却不是“I'm eating a rat.”!仔细观察一下,发现 func() 函数的参数类型是Animal *xyz,那么为了让 func() 函数也能输出“I'm eating a rat.”,只能重载 func() 函数了:

void func(Animal *xyz)
{
    xyz->eat();
}
void func(Cat *xyz)
{
    xyz->eat();
}

现在 func() 函数能够根据输入参数类型的不同,输出不同的内容了。可是问题来了,Animal(动物)是一个基类,它能派生出的动物远远不止Cat(猫)一种,若是派生出许多派生类,每个派生类都重载一遍 func() 函数,是不是太麻烦了?

神奇的虚函数

在C++语言中,重写基类中的常规(非虚)函数当然是可以的,但是从上面的例子可以看出,重写常规函数实现多态有时会带来非常麻烦的问题,要避免这样的问题可以使用 virtual function(虚函数)。现在,我们在 Animal 基类的 eat() 成员函数前加上virtual关键字:

class Animal
{
public:
    virtual void eat() {
         std::cout << "I'm eating generic food." 
    }
};

class Cat : public Animal
{
public:
    void eat() { 
    std::cout << "I'm eating a rat.";
    }
};

此时无需重载 func() 函数,仅保留一份 func() 函数:

void func(Animal *xyz)
{
    xyz->eat();
}

再执行下面的C++语言代码,输出就不同了:

func(animal); // 输出: "I'm eating generic food."
func(cat);    // 输出: "I'm eating a rat."

看来,C++语言中的虚函数的确有些过人之处,有必要好好了解一下它。

事实上,每一个C++程序员都不可能避开虚函数的,就像每一个C语言程序员都不可能避开指针一样。

再总结下“什么是虚函数”

理论是少不了的,它可以加深和尽可能全面的帮助我们理解概念。基类中的虚函数允许派生类重写功能,编译器会保证派生类对象使用的是自己重写的功能,即使对象是通过基类指针访问的,例如前文中的 func(Animal *xyz) 函数,func(cat) 输出的实际上是 Cat 类重写的功能。这是一个非常有用的特性,调用者甚至都不需要知道 Cat 等派生类的实现,因为只需使用基类 Animal 指针就能够轻易的调用所有派生类的重写功能

基类的虚函数可以完全被重写,也可以部分的被重写,所谓的“部分被重写”,其实就是派生类在重写基类虚函数时,也可以调用基类虚函数的功能。

虚函数和常规函数被调用时有什么不同?

常规的非虚函数是静态解析的,即在编译时即可根据指针指向的对象确定是否被调用,例如文章开头的例子,如果 eat() 函数是非虚函数:

// eat() 函数不是虚函数

Animal *animal = new Animal;
Cat *cat = new Cat;

animal->eat(); // 输出: "I'm eating generic food."
cat->eat();    // 输出: "I'm eating a rat."

此时编译器在编译时就能确定 animal->eat() 调用的是 Animal::eat() 函数,cat->eat() 调用的是 Cat::eat() 函数。在 func(Animal *xyz) 函数中,因为其形参是 Animal *指针类型,所以即使传入的是 cat 对象指针,在 func() 函数内部也会被强制转换为Animal *指针,因此 func(cat) 调用的仍然是 Animal::eat() 函数。

而虚函数就不同了,它是动态解析的,也即在程序被编译后,运行时才根据对象的类型,而不是指向对象的指针类型决定其是否被调用,这就是说为的“动态绑定”。

关于“动态绑定”,我们在之后几节中再做详细讨论,这里先留个印象。

在C++语言中,如果某个类有虚函数,那么大多数编译器都会自动的为其对象维护一个隐藏的“虚指针(virtul-pointer)”,虚指针指向一个全局“虚表(virtual-table)”,虚表中存放若干函数指针,这些函数指针指向类中的虚函数。请看下面这段C++语言代码:

class A {
public:
    virtual void vfoo1();
    virtual void vfoo2();
    void foo1();
    void foo2();
private:
    int prv_i1, prv_i2;
};

显然,类 A 有两个常规函数以及两个 int 型的成员变量,此外,它还有两个虚函数,因此编译器会创建一个虚表,虚表中存放的是函数指针,它们分别指向类 A 的虚函数,如下图所示:

这里应注意,虚表是属于类的,而不是对象的,也就是说,即使有成千上万个 A 对象,虚表也仅有一个,这些对象共用一个类虚表。编译器会自动的为每个对象创建一个隐藏的“虚指针”__vptr,它指向类 A 的虚表,如下图所示:

C++语言这样实现虚函数机制的空间开销是微乎其微的,事实上,每一个对象只需要一个额外的“虚指针”__vptr就能够调用类的虚函数。同样的,时间开销也很小:相比于常规函数的调用,虚函数的调用只不过多出了额外的两个步骤:

  1. 获取虚表指针,得到虚表
  2. 从虚表中取出虚函数的地址

读者应注意,这里的讨论为了突出主题,理想化了一些情况。

为什么类成员函数默认都不是虚函数?

既然虚函数这么好用,那为什么C++语言不把类的成员函数默认定义为虚函数呢?

其实仔细考虑一下,虚函数的“好用”主要体现在定义在基类中实现多态上,但并不是所有的类都需要被设计为基类,一昧的使用虚函数可能会造成语义上的歧义,隐藏程序员的设计。仅将需要被继承的基类中需要被重写的函数定义为虚函数,要比将所有函数定义为虚函数清晰多了。

此外,经过前面的讨论,我们也知道虚函数的效率实际上是没有常规函数高的,同样的功能中,仅从被调用过程来看,它的时间开销和空间开销都比常规函数高,每个对象还需要额外的虚指针索引虚表。

小结

本文主要讨论了C++语言中虚函数的基本使用,以及其在C++中的基本设计,并未太多深入,因此还有许多问题没有说清楚,比如虚函数在派生类中是如何被继承的?究竟什么是“动态绑定”?什么是“纯虚函数”?,等等。当然了,一篇文章也不可能将虚函数完全说清楚,只希望本文能够对读者有所帮助,更多问题在接下来的文章中会讨论,敬请关注。

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