Virtual Methods in C++ Learning Notes

2017-12-14

早就听闻 C++ 中虚函数的大名，今天 OOP 课上老师讲了，感觉还有一些不清晰的地方，上课老师几个比较坑的例子也有一些细节需要注意。回来翻看了一下《C++ Primer Plus》，做笔记以供日后复习。

前置知识

在学习虚函数之前需要一些 C 语言和基本的 C++ 知识，这里不展开，简单带过：

函数调用的方式：在 C/C++ 中，函数调用，实质上是通过地址作为入口找到对应的代码块，进行执行。
继承：子类继承父类之后，会获得父类所有的成员，并且，在构造函数（constructor)的调用链中，以父类在前，子类在后的顺序依次调用；析构（deconstructor）函数恰好相反，子类在先，父类在后。

静态/动态联编

编译器负责将源代码中的函数调用解释为执行特定的函数代码块，这一过程被称为函数名联编（binding）。在编译过程（Compile time）进行联编称为静态联编（static binding），而虚函数的存在使得编译器有时需要在运行时（Run time）选择正确的虚方法的代码，称为动态联编。

——《C++ Primer Plus》

似乎还是有点抽象，需要用代码来解释，在此之前，再讨论一个小问题：指针和引用类型的兼容性。

指针和引用类型的兼容性

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double x = 2.4;
int * pi = & x; // 非法赋值，指针类型不匹配
long & rl = x; // 非法赋值，引用类型不匹配

上面这段代码的错误显而易见，类型不匹配，但是在继承之中：指向基类的引用或指针可以引用派生类对象，而不必进行显式的类型转换，比如：

class BaseClass {}
class DerivedClass : public BaseClass {}
DerivedClass dc;
BaseClass * pb = &dc; // 正确
BaseClass & rb = dc; // 正确

这种将派生类的指针或引用转换为基类的指针或指针的过程，称为向上强制转换（upcasting）。其实也非常好理解，继承就是一个 is-a 的关系，既然 DerivedClass 的实例 dc 是一个 BaseClass，那么其指针和引用自然也能够认为是 BaseClass的指针和引用。

相反地，如果想要把基类的指针或引用转换为派生类指针或引用，称为（downcasting），如果不用显式类型转换，是不允许的，举个最简单的例子：

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BaseClass bc;
// DerivedClass &dc =  bc; 错误
DerivedClass &dc = (DerivedClass) bc;// 显式类型转换

同样很好理解，is-a 关系不可逆，如果我的派生类里有父类没有的成员，那基类怎么给你变出一个不存在的成员来？所以自然不行。

接下来，就进入到虚函数的部分。

虚函数

先来看一个例子：

class TradePerson {
public:
    void say() {cout << "Just Hi\n";}
};

class Tinker : public TradePerson {
public:
    void say() {cout << "Hi Tinker\n";}
};

我们定义了两个类，Tinker 继承自 TradePerson，接下来：

Tinker tinker;
TradePerson * tp;
tp = & tinker;
tp->say();

结果是 Just Hi，tp->say() 根据指针类型 TradePerson 调用了 TradePerson::say()，没有毛病，在编译是就能够确定这个调用的地址，是静态联编。

而如果我们在 TradePerson 的 say() 方法前加上 virtual 关键字，声明为虚函数（注：声明为虚函数的方法在基类及所有派生类，包括派生类的派生类中都是虚的）：

class TradePerson {
public:
    virtual void say() {cout << "Just Hi\n";}
};

这时的输出结果就会变成 Hi Tinker，这是为什么呢？这个时候 tp->say() 就会根据对象类型 Tinker 调用 Tinker::say()。而在实际应用中，这个对象类型只有在运行的时候才会确定，也就是我们所说的动态联编。

似乎是很神奇，那么虚函数是怎么工作的呢？

工作原理

通常编译器处理虚函数的方法是，为每个对象添加一个隐藏成员，这个隐藏成员中保存了一个指向函数地址数组的指针，这个数组称为虚函数表，看下面这个例子：

Virtual Function Table

基类是 Scientist 类，其中隐藏的成员 vptr 指向一个函数地址数组；同样，派生类Physicity 也有一个 vptr 指向另一个函数地址数组。值得注意的是，对于所有声明为虚函数的函数，如果其没有在派生类中被重新定义，则派生类中该函数的指向和基类相同，也就是说，我们会去调用父类的这个函数；而如果被重新定义了，则相应的更新其地址。

上面的例子已经非常详细了，另外还有一点值得注意，就是不管有多少的虚函数，我们都只需要在对象中添加一个地址成员 vptr，区别仅仅在于 vptr 所指向的地址表的大小而已。

例子

对于使用基类引用或指针作为参数的函数调用，将进行向上转换，这一点很重要，请看下面的例子：

class Brass{
  public:
  virtual void ViewAcct();
}
class BrassPlus : public Brass{
  public:
  void ViewAcct();
}

void fr(Brass & rb) ; // uses rb.ViewAcct()
void fp(Brass * pb) ; // uses pb->ViewAcct()
void fv(Brass b) ; // uses b.ViewAcct()

int main() {
  Brass b;
  BrassPluss bp;
  fr(b);// 调用 Brass::ViewAcct()
  fr(bp);//  调用 BrassPlus::ViewAcct()
  fp(b);// 调用 Brass::ViewAcct()
  fp(bp); //  调用 BrassPlus::ViewAcct()
  fv(b);  // 调用 Brass::ViewAcct()
  fv(bp); // 调用 Brass::ViewAcct()
}

前面四个输出结果没有问题，前面的几个 bp 都通过 upcasting 调用了 BrassPlus::ViewAcct()，最后两个为什么都是 Brass::ViewAcct()？因为值传递只把 BrassPlus 的 Brass 部分给了 fv()，只能调用 Brass::ViewAcct()。

注意事项

构造函数没有虚函数。因为没有意义，我们在构造子类的时候必然会调用父类的构造函数。

一般我们都会把基类的析构函数声明为虚函数，Why？看下面的例子：

class A {
    char* p;
public:
    A() {cout<< "A constructor" << endl;  p = new char[5];}
    ~A() {cout << "A deconstructor" << endl; delete[] p;}
};

class Z : public A {
    char * q;
public:
    Z() {cout<< "Z constructor!" << endl;  q = new char[50];}
    ~Z() {cout << "Z deconstructor" << endl; delete[] q;}
};

void f() {
    A * ptr = new Z();
    delete ptr;
}
int main() {
  f();
  return 0;
}

结果是什么呢？

A constructor
Z constructor!
A deconstructor

没有调用 Z 的析构函数，也就意味着，有申请的内存没有被释放。原因是 delete 会只调用 ~A()，解决的办法很简单，就是把基类 A 声明为虚函数。通常我们会给基类提供虚析构函数，即使它并不需要析构函数，其原因就在于这样能够调用子类对应的析构函数，来进行资源的释放。

友元不能是虚函数，因为友元不是类成员，而只有成员才能是虚函数。
如果派生类没有重新定义虚函数，就会使用该函数的基类版本。如果派生类在派生链之中，则使用最新的虚函数版本（即最晚定义的版本，太爷爷声明虚函数，爷爷没重新定义，爸爸重新定义了，儿子没有定义，那么儿子会调用爸爸的版本）。
重新定义将会隐藏方法：
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class A{
public:
virtual void print(int a) const;
}
class Z : public A{
public:
virtual void print() const;
}
这可能会报错，如果不报错，这段代码意味着:
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Z z;
z.print(); // 正确
z.print(5); // 错误，父类的版本被隐藏
重新定义继承的方法不是重载，而会将所有同名的基类方法隐藏。

这告诉我们两点：

如果重新定义继承的方法，确保与原来的原型完全相同。

如果基类声明被重载了，则需要在派生类中重新定义所有的基类版本。如果之定义一个版本，则其余版本会被隐藏，无法使用

感受
静态联编和动态联编和 JVM 的静态分配合动态分配很类似，不过不同的就是 Java 中的继承和重载比 C++ 简单了很多，更加解放了程序员，而不必操心这些有的没的（逃

前置知识

静态/动态联编

指针和引用类型的兼容性

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