C++的动态联编与虚函数

ゞ浴缸里的玫瑰 2022-03-10 19:58 129阅读 0赞

# C++的动态联编与虚函数 #

### 文章目录 ###

*  C++的动态联编与虚函数
 *  前言
 *  指针和引用的兼容性
 *  静态联编与动态联编
 *  动态联编的缺点
 *  虚函数工作原理
 *  虚函数注意项
 *  总结

# 前言 #

函数名联编（binding）：将源代码中的函数调用解释为执行特定的函数代码块的过程。

静态联编：在编译过程中进行联编叫作静态联编。

动态联编：程序运行时才选择需要执行的代码叫作动态联编。

# 指针和引用的兼容性 #

将**派生类引用或指针**转换为**基类引用或指针**，称为**向上强制转换**，可隐式。示例如下：

class Animal {   /* 基类 */
    };
    
    class Dog: public Animal {   /* 派生类 */
    };
    
    int main() { 
        Animal* dogOne = new Dog();
        /* `new Dog()`返回派生类指针，但可以赋值给基类指针`dogOne` */
    
        Dog dogTwo;
        Animal& dogTwoRef = dogTwo;  /* 基类引用指向了派生类对象 */
        return 0;
    }

上述代码中，`new Dog()`返回派生类指针，但可以赋值给基类指针`dogOne`；作为基类引用的`dogTwoRef`指向了派生类对象`dogTwo`。编译这段代码不会报错，这是因为C++允许这样，本质上是发生了向上强制转换，体现了指针和引用的兼容性。

**基类指针或引用**转换为**派生类指针或引用**被称为**向下强制转换**，要求必须**显式地**转换。

# 静态联编与动态联编 #

设计一个类时，可以将成员函数设计为虚函数（virtual）和非虚函数，函数“虚不虚”，直接影响了编译器对代码的处理方式。这里有一个结论：**编译器对非虚函数使用静态联编；对虚函数使用动态联编。**

通过一个简单示例，我们看看里边区别：

class Animal { 
    public:
        void run() {  cout << "not implemented." << endl; }  /* 非虚函数 */
        virtual void fly() {  cout << "not implemented." << endl; }  /* 虚函数 */
    };
    
    class Dog: public Animal { 
    public:
        void run() {  cout << "can run." << endl; }
        void fly() {  cout << "can not fly." << endl; }
    };
    
    int main() { 
        Animal* dog = new Dog();  /* 用基类指针指向派生类对象地址 */
        /* 注意run()与fly()的输出 */
        dog->run();
        dog->fly();
        return 0;
    }
    // 输出：
    not implemented.
    can not fly.

由于还不知道作为派生类的具体动物（狗、猫、鱼、鸟等）会不会飞，会不会跑，所以让基类Animal中的**run()** 和**fly()** 直接打印“未完成”，希望后面的设计人员来设计。

现在设计了一个狗（派生类Dog），它会跑但不会飞，如上述代码那样。最后用基类指针`Animal*`管理派生类对象`new Dog()`，调用run()和fly()。可以从输出结果中看到，`dog->run()`调用的是基类版的run()，所以输出 **“not implemented.”** ；而`dog->fly()`调用的是派生类版的fly，因此打印 **“can not fly.”** 。

会出现这种结果，是因为基类Animal中的run()是非虚函数，编译器静态联编，此时它将**根据定义类型寻找方法**，定义类型是`Animal*`，所以找到了基类版的run()。而fly()是虚函数，编译器动态联编，当程序执行到调用语句，它会**根据对象类型寻找方法**，对象类型是`Dog*`（new Dog()的返回对象），所以找到了派生类的fly()。

大多时候，为让代码具有多态特性，通过基类指针或引用 管理 派生类对象是常见手段。同时要让代码清晰明辨，一般会把派生类中重新定义的虚函数也标志为`virtual`，上述代码最好写成这样：

class Dog: public Animal { 
    public:
        void run() {  cout << "can run." << endl; }
        virtaul void fly() {  cout << "can not fly." << endl; }
    };

# 动态联编的缺点 #

尽管动态联编看上去优质，然而动态联编和静态联编同时存在C++中，设计是有讲究的，主要基于以下两点：

*  效率：动态联编需要跟踪 基类指针或引用 指向的对象类型，这将增加额外的处理开销。C++的指导原则之一是：**不要为不使用的特性付出代价**。并非所有的基类方法都需要多态，所以如果全部采取动态联编一定会损耗性能。
 *  概念模式：（virtual）标记出需要重新定义的函数，让代码呈现更清晰的意图。

# 虚函数工作原理 #

虚函数的一种实现机制：

*  编译器给每个对象添加一个隐藏成员，隐藏成员中保存了一个指向虚函数表的指针；
 *  虚函数表中存储了 为类对象 进行声明的 虚函数的地址；
 *  如果派生类提供了虚函数的新定义，该虚函数表将保存新函数的地址；
 *  如果派生类定义了新的虚函数，该函数的地址也将添加到虚函数表中；
 *  调用虚函数时，程序会找到对象的虚函数表，然后查找相应的函数的地址，最后执行。

执行虚函数带来的成本：

*  每个对象都将增大，增大的是存储地址的空间；
 *  对于每个类，编译器都会创建一个虚函数地址表；
 *  对于每个函数调用，都需要执行额外操作，即到虚函数表中查询函数地址。

# 虚函数注意项 #

虚函数的好处显而易见，但有些地方仍要留心注意：

*  （1）基类中用virtual修饰方法，可使该方法在基类及其所有派生类中都是虚的；
 *  （2）构造函数不能是虚函数。这是因为派生类不继承基类的构造函数，所以将构造函数声明为虚函数没有意义；
 *  （3）友元不能是虚函数，因为友元不是类成员，只有类成员才能使虚函数；
 *  （4）最好为每一个基类提供一个虚析构函数，即便它并不需要析构函数。如果析构函数非虚，此时基类指针管理派生类对象，对该指针做`delete`，只会执行基类的析构函数，而不会执行派生类的，可能造成内存泄露：

class Animal { 
    public:
        ~Animal() {  cout << "~Animal() called" << endl; }
    };
    
    class Dog: public Animal { 
    public:
        ~Dog() {  cout << "~Dog() called" << endl; }
    };
    
    int main() { 
        Animal* dog = new Dog();  /* 基类指针管理派生类对象 */
        delete dog;
        return 0;
    }
    // 输出：
    ~Animal() called  /* 不会执行 ~Dog() */

*  （5）如果派生类没有重新定义函数，使用该函数的基类版本；
 *  （6）重新定义不会生成函数的两个重载版本，而是隐藏该方法的基类版本。比方基类中是`void run() {...}` 而派生类中是`void run(bool isFast) {...}`。对派生类对象来说，如果直接调用run()是会报错的，因为`void run()`已经被隐藏了，能被调用的是`void run(bool isFast)`。

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由第6点引出的两条经验：

*  如果重新定义继承的方法，应确保与原来的原型完全相同。但**返回类型协变**除外。即，如果存在某个虚方法需要返回数据的类型是类：

class Animal { 
    public:
        virtual Animal get_kind();
    };

此时允许返回类型跟随类改变：

class Dog: public Animal { 
    public:
        virtual Dog get_kind();
    };

*  如果基类声明被重载了，则应该在派生类中重新定义所的基类版本（否则派生类指针管理派生类对象时，无法使用被重载了的、其他版本的方法）：

class Animal { 
    public:
    	/* 因为重载，而存在许多版本的greet() */
        virtual void greet();
        virtual void greet(string who);
        virtual void greet(int count);
        ...
    };

比较好的方式是，如果其他版本的greet()没有改动，那么直接调用基类对应版本的greet()：

class Dog: public Animal { 
    public:
        virtual void greet() {  ... }
        virtual void greet(string who) {  Animal::greet(who); }
        virtual void greet(int count) {  Animal::greet(count); }
        ...
    };

# 总结 #

*  需要被重新定义的基类的方法，应该被声明为虚函数；
 *  虚函数根据对象类型找方法，非虚函数根据定义类型找方法；
 *  最好为每个类都声明一个虚析构函数。