第7章 虚函数与多态
虚函数
——用virtual定义的成员函数，当基类对象指针或引用指向或引用不同类型派生类对象时，通过虚函数到基类或派生类中同名函数的映射实现(动态)多态——这是虚函数的意义所在。
- 重载函数使用静态联编（早期绑定）机制。（早期绑定：在程序运行之前的绑定；）
- 重载函数是静态多态函数，通过静态绑定调用重载函数，静态绑定是编译或操作系统完成的。
- 虚函数采用动态联编（晚期绑定）机制。（晚期绑定：在程序运行中，由程序自己完成的绑定。）
- 虚函数是动态多态函数，通过动态绑定调用(虚映射到实)函数，动态绑定是程序运行时自己完成的。
- 虚函数的动态绑定通过存储在对象中的一个指针完成，因此虚函数一定有this(指向这个对象）。(该指针指向虚函数入口地址表VFT)
#includeusing namespace std; class POINT2D { int x, y; public: int getx() { return x; } int gety() { return y; } virtual POINT2D* show() { cout << "Show a point\n"; return this; } //定义虚函数 POINT2D(int x, int y) { POINT2D::x = x; POINT2D::y = y; } }; class CIRCLE : public POINT2D { //POINT2D 和 CIRCLE满足父子关系 int r; public: int getr() { return r; } CIRCLE* show() { cout << "Show a circle\n"; return this; } //原型相同, 成为虚函数 CIRCLE(int x, int y, int r) :POINT2D(x, y) { CIRCLE::r = r; } }; void main(void) { CIRCLE c(3, 7, 8); POINT2D* p = &c; //父类指针 p 可以直接指向子类对象 c c.getr(); //CIRCLE::getr() p->getx(); //POINT2D::getx() p->gety(); //POINT2D::gety() p->show(); //CIRCLE::show() 与之前这个对比 } 虚函数必须是类的成员函数，非成员函数不能说明为虚函数，普通函数如main不能说明为虚函数（与编译器有关）。
虚函数一般在基类的public或protected部分。
在派生类中重新定义成员函数时，函数原型必须完全相同；
虚函数只有在具有继承关系的类层次结构中定义才有意义，否则引起额外开销(需要通过VFT访问)；
一般用父类指针(或引用)访问虚函数。根据父类指针所指对象类型的不同，动态绑定相应对象的虚函数；(虚函数的动态多态性)。
- 虚函数有隐含的this参数，参数表后可出现const和volatile。
- 静态函数成员没有this参数，不能定义为虚函数：即不能有virtual static之类的说明；
- 构造函数构造对象的类型是确定的，不需根据类型表现出多态性，故不能定义为虚函数；
- 析构函数可通过父类指针(引用)或delete调用，父类指针指向的对象类型可能是不确定的，因此析构函数可定义为虚函数。
- 一旦父类(基类)定义了虚函数，即使没有 virtual 声明，所有派生类中原型相同的非静态成员函数自动成为虚函数；(虚函数特性的无限传递性)。
- 虚函数主要通过基类和派生类表现出多态特性，由于union既不能定义基类又不能定义派生类，故不能在union中定义虚函数。
虚函数同普通函数成员一样，可声明为或自动成为inline函数(但内联会失败)，也可重载、缺省和省略参数。
虚函数能根据对象类型适当地绑定函数成员，且绑定函数成员的效率非常之高，因此，最好将普通函数成员全部定义为虚函数。
#include
using namespace std;
struct A {
virtual void f1() { cout << "A::f1\n"; }; //定义虚函数f1()
virtual void f2() { cout << "A::f2\n"; }; //this指向基类对象，定义虚函数f2()
virtual void f3() { cout << "A::f3\n"; }; //定义虚函数f3()
virtual void f4() { cout << "A::f4\n"; }; //定义虚函数f4()
};
class B : public A { //A和B满足父子关系
virtual void f1() { //virtual可省略，f1()自动成为虚函数
cout << "B::f1\n";
};
void f2() { //除this指向派生类对象外, f2()和基类函数原型相同, 自动成为虚函数
cout << "B::f2\n";
};
};
class C : B { //B 和 C不满足父子关系，故A 和 C也不满足父子关系
void f4() { //f4()自动成为虚函数
cout << "C::f4\n";
};
};
void main(void)
{
C c;
A* p = (A*)&c; //A和C不满足父子关系，需要进行强制类型转换
p->f1(); //调用 B::f1( )
p->f2(); //调用 B::f2( )
p->A::f2(); //明确调用实函数 A::f2( )
p->f3(); //调用 A::f3( )
p->f4(); //调用 C::f4( )
c.f4(); //error, why ? private
} 重载函数使用静态联编（早期绑定）机制；
虚函数采用动态联编（晚期绑定）机制；
- 早期绑定：在程序运行之前的绑定；
- 晚期绑定：在程序运行中，由程序自己完成的绑定。
对于父类A中声明的虚函数f()，若在子类B中重定义f()，必须确保子类B::f()与父类A::f()具有完全相同的函数原型，才能覆盖原虚函数f()而产生虚特性，执行动态联编机制。否则，只要有一个参数不同，编译系统就认为它是一个全新的（函数名相同时重载）函数，而不实现动态联编。
如果基类的析构函数定义为虚析构函数，则派生类的析构函数就会自动成为虚析构函数（原型不同）。
说明虚析构函数的目的在于在使用delete运算符释放一个对象时，能够保证所执行的析构函数就是该对象的析构函数；最好将所有的析构函数都定义为虚析构函数。对象数组指针p应用delete[] p释放。
如果为基类和派生类的对象分配了动态内存，或者为派生类的对象成员分配了动态内存，则一定要将基类和派生类的析构函数定义为虚析构函数，否则便可能造成内存泄漏，导致系统出现内存保护错误。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
#include
using std::cout;
using std::endl;
class A {
public:
char* s;
A(const char* s) {
this->s = new char[strlen(s) + 1];
strcpy(this->s, s);
}
virtual ~A() { cout << "~A" << s << endl; delete s; }
};
class B : public A {
public:
char* s;
B(const char* s) : A(s) {
this->s = new char[strlen(s) + 1];
strcpy(this->s, s);
}
~B() { cout << "~B" << s << endl; delete s; } //自动成为虚函数
};
int main(void)
{
A* a[2] = { new B("123"), new A("abc") };
delete a[0]; //执行 ~B()
cout << endl;
delete a[1]; //执行 ~A()
return 0;
} //如果 ~A() 非虚，结果怎样？内存泄漏 类的引用
用父类引用实现动态多态性时需要注意，若被(new产生)引用对象自身不能析构，则必须用 delete& 析构：
A& z = *new B("123");
delete & z; //析构对象z并释放对象z占用的内存上述delete & z完成了两个任务：
- 调用该对象析构函数~B()，释放其基类和对象成员各自为字符指针s分配的空间；
- 释放B对象自身占用的存储空间。
如将delete & z改为z.~A()，则只完成任务①而没完成②；如果改为free(&z)，则只完成任务②而没完成①。造成内存泄露。
为什么z.~A() 执行~B()？(z实现为指针)
- 引用变量引用类的变量、函数参数或者常量，一般不需要引用变量负责构造和析构。由被引用的类的变量、参数或常量自动完成析构。
- 当用常量对象、类型为&&的返回对象作为实参调用函数时，优先调用的函数是带有&&参数的函数。
- 常量对象既可以被有址变量引用（分配对象内存），也可以被无址变量引用（分配对象缓存），但优先被无址形参引用。
#include
using namespace std;
class A {
int i;
public:
A(int i) { A::i = i; cout << "A" << i << "\n"; };
~A() { if (i) cout << "~A" << i << "\n"; i = 0; };
};
void g(A& a) { cout << "g() \n"; } //调用时初始化形参a
void h(A&& a = A(5)) { cout << "h() \n"; } //调用时初始化形参a, A(5)为默认值
void main(void)
{
A a(1), b(2); //自动调用构造函数构造a、b
A& p = a; //p本身不用负责构造和析构a
A& q = *new A(3); //q有址引用new生成的无名对象
A& r = p; //r有址引用p所引用的对象a
g(b); //使用同类型的传统左值作为实参调用函数g()
h(); //使用无址右值A(5)作为实参调用h()，初始化h()的形参a
h(A(4)); //使用无址右值A(4)作为实参调用h()，初始化h()的形参a
delete& q; //q析构并释放通过new产生的对象A(3)
} //退出main()时依次自动析构b、a 当类的内部包含指针成员时，为了防止内存泄漏，不应使用编译自动生成的构造函数、赋值运算符函数和析构函数。
对于类型为A且内部有指针的类，应自定义A()、A(A&&) noexcept 、A(const A&)、A& operator=(const A&)、 A& operator=(A&&) noexcept以及~A()函数。
A(A&&)、A& operator=(A&&)通常应按移动语义实现，构造和赋值分别是浅拷贝移动构造和浅拷贝移动赋值。“移动”即将一个对象（通常是常量）内部的(分配内存的) 指针成员浅拷贝赋给新对象的内部指针成员，而前者的内部指针成员设置为空指针（即内存被移走了）。
对于A的派生类B，在构造和赋值以基类A相关的对象时，若B类参数为&& ，则应对用A类参数为&& 的拷贝和赋值运算函数。
class A {
int* p;
int m;
public:
A() : p(nullptr), m(0) {}
A(int m) : p(new int[m]), m(p ? m : 0) { }
A(const A& a) : p(new int[a.m]), m(p ? a.m : 0) { //深拷贝构造必须为p重新分配内存
for (int x = 0; x < m; x++) p[x] = a.p[x];
}
A(A&& a) noexcept : p(a.p), m(a.m) { //移动拷贝构造不要为p重新分配内存
a.p = nullptr;
a.m = 0;
}
~A() {
if (p) { delete p; p = nullptr; m = 0; }
};
A& operator=(const A& a) { //浅拷贝移动构造不为e重新分配内存
if (&a == this) return *this;
if (p) delete p;
p = new int[a.m];
m = p ? a.m : 0;
for (int x = 0; x < m; x++) p[x] = a.p[x];
return *this;
}
A& operator=(A&& a) noexcept { //浅拷贝移动构造不为e重新分配内存
if (&a == this) return *this;
if (p) delete p;
p = a.p; m = p ? a.m : 0; //移动语义：资源a.p转移
a.p = nullptr; a.m = 0; //移动语义：资源a.p已经转移，故资源数量设为 0
return *this;
}
};
A& f(A&& x) {
//A &&a = static_cast(x); //a引用x所引用的对象;
//return a; //返回A&：参数有名有址，类型&&自动转换为&。x和a都不负责析构
return x; //结果同上述两条语句
}
void main() {
A& c = f(A(30)); // c引用A(30
} 抽象类
纯虚函数
——不必定义函数体的虚函数，也可以重载、缺省参数、省略参数、内联等，相当于Java的interface。
- 定义格式：virtual 函数原型 = 0。(0即函数体为空)
- 纯虚函数有this，不能同时用static定义(表示无this)。
- 构造函数不能定义为虚函数，同样也不能定义为纯虚函数。
- 析构函数可以定义为虚函数，也可定义为纯虚函数。
函数体定义应在派生类中实现，成为非纯虚函数。
抽象类
——含有纯虚函数的类。
抽象类常用作派生类的基类，不应该有对象或类实例(相当于Java的interface)。
如果派生类继承了抽象类的纯虚函数，却没有在派生类中重新定义该原型虚函数，或者派生类定义了基类所没有的纯虚函数，则派生类就会自动成为抽象类。
在多级派生的过程中，如果到某个派生类为止，所有纯虚函数都已在派生类中全部重新定义，则该派生类就会成为非抽象类（具体类）。
#include
using namespace std;
struct A { //A被定义为抽象类
virtual void f1() = 0;
virtual void f2() = 0;
};
void A::f1() { cout << "A1"; } //不是在派
void A::f2() { cout << "A2"; } //生类中定义
class B : public A {
//重新定义f2，未定义f1，B为抽象类
void f2() { A::f2(); cout << "B2"; }
};
class C : public B { // f1和f2均重定义，C为具体类
void f1() { cout << "C1"; } //自动虚函数, 内联失败
};
int main(void)
{
C c;
A* p = &c;
p->f1(); //C::f1( )
cout << endl;
p->f2(); //B::f2( )
cout << endl;
B* q = (B*)&c;
q->f1(); //C::f1( )
cout << endl;
q->f2(); //error
return 0;
} 纯虚函数表示在各种继承关系中所有派生类都需要遵循的公共行为。
类外定义的纯虚函数体，相当于缺省行为。
抽象类不能定义或产生任何对象，包括用new创建的对象，故不能用作函数参数的类型和函数的返回类型(调用前后要产生该类型的对象)。
抽象类可作派生类的基类(父类)，若定义相应的基类引用和指针，就可引用或指向非抽象派生类对象。
通过抽象类指针或引用可调用抽象类的纯虚函数，根据多态性，实际调用的应是该类的非抽象派生类的虚函数。如果该派生类没有重新定义被调虚函数，则会导致程序出现不可意料的运行错误。调用抽象类的普通函数成员不会出现该问题。
#include
using namespace std;
struct A {
//定义类A为抽象类
virtual void f1() = 0;
void f2() {};
};
struct B : A {
//定义A的非抽象子类B
void f1() {};
};
A f(); //×，返回类A意味着抽象类要产生A类对象
int g(A x); //×，调用时要传递一个A类的对象
A& h(A& y); //√，可以引用非抽象子类B的对象
int main(void)
{
A a; //×，抽象类不能产生对象a
B b; //√，B不是抽象类
A* p = &b; //√，可以指向非抽象子类B的对象
p->f1(); //√，B::f1( )
p->f2(); //√，A::f2( )
return 0;
} 内存管理函数malloc可以为抽象类分配空间，但不调用构造函数，因此，内存管理函数malloc实质上不产生抽象类对象(VFT没有填好)。只有成功地构造了某个类的对象，才能通过抽象类指针或引用访问(VFT), 进而通过VFT调用这个类的虚函数。
抽象类作为抽象级别最高的类，主要用于定义派生类共有的数据和函数成员。抽象类的纯虚函数没有函数体，意味目前尚无法描述该函数的功能。例如，如果图形是点、线和圆等类的抽象类，那么抽象类的绘图函数就无法绘出具体的图形。
#include
using namespace std;
class C;
struct A {
virtual void f1(C& c) = 0;
virtual void f2(C& c);
};
class B : A {
public:
void f1(C& c); //f1自动成虚函数
};
class C {
char c;
//允许但无意义，A::f1无函数体
friend void A::f1(C& c);
friend void A::f2(C& c);
public:
C(char c) { C::c = c; }
};
void A::f1(C& c)
{
cout << "B:: " << c.c << "\n";
}
void A::f2(C& c) { cout << "A:: " << c.c << "\n"; }
void B::f1(C& c) { cout << c.c; } //×，B::f1不是C的友元，不能访问c.c
void main() {
B b;
C c('C');
A* p = (A*) new B;
p->f1(c); //调用B::f1( )
p->f2(c); //调用A::f2( )
} 虚函数动态绑定
C++使用虚函数地址表(VFT)来实现虚函数的动态绑定。
VFT是一个函数指针列表，存放对象的所有虚函数的入口地址。
编译程序为有虚函数的类创建一个VFT，其首地址通常存放在对象的起始单元中。调用虚函数的对象通过起始单元的VFT动态绑定相应的函数成员，从而使虚函数随调用对象的不同而表现多态特性。
动态绑定比静态绑定多一次地址访问，在一定程度上降低了程序的执行效率，但同虚函数的多态特性带来的优点相比，效率降低所产生的影响是微不足道的。
函数动态绑定过程：
- 设基类A和派生类B对应的虚函数表分别为 VFTA 和 VFTB，则派生类对象b的虚函数动态绑定过程如下：
- 对象构造：先将 VFTA 的首地址存放到 b 的起始单元，在A类构造函数的函数体执行前甚至初试化前，使A类对象调用的虚函数与VFTA绑定，可使A类构造函数执行A的虚函数；在B类构造函数的函数体执行前（甚至初试化前），将VFTB的首地址存放到b的起始单元，使B类对象调用的虚函数与VFTB绑定，可使B类构造函数执行B的虚函数。
- 对象使用(生成期间)：b的起始单元指向VFTB，执行B的虚函数。
- 对象析构：由于b的起始单元已指向VFTB，故析构函数调用的是B的虚函数；然后将VFTA的首地址存放到 b 的起始单元，使基类析构函数调用的虚函数与VFTA绑定，使基类析构函数调用基类A的虚函数。
#include
using namespace std;
class A {
virtual void c() { cout << "Construct A\n"; }
virtual void d() { cout << "Deconstruct A\n"; }
virtual void e() { };
public:
A() { c(); };
virtual ~A() { d(); };
};
class B : A {
virtual void c() { cout << "Construct B\n"; }
virtual void d() { cout << "Deconstruct B\n"; }
public:
B() { c(); }; //等价于 B(): A( ) { c( ); };
virtual ~B() { d(); };
};
void main(void) { B b; }
/*
输出结果：
Construct A
Construct B
Deconstruct B
Deconstruct A
*/ 
派生类的存储空间由基类和派生类的非静态数据成员构成。
当基类或派生类包含虚函数或纯虚函数时，派生类的存储空间还包括虚函数入口地址表首址所占存储单元。
如果基类定义了虚函数或者纯虚函数，则派生类对象将基类的起始单元作为共享单元，用于存放基类和派生类的虚函数地址表首址。
如果基类没有定义虚函数，而派生类定义了虚函数，则派生类的存储空间由三部分组成：
- 第一部分为基类存储空间，
- 第二部分为派生类虚函数入口地址表首址，
- 第三部分为该派生类新定义的数据成员。
重要方法
假定如下的继承关系：
… ← C0 ← C1 ← … Ck ← … ← Cn
即，C0是祖先类，Cn是子孙类。
有如下的语句：
Ck c;
C0* p = (C0*)&c;
p->f();
int k = p->i;
或者：
C0& q = c;
q.f();
int k = q.i;
对于语句p->f()，编译器将会做如下工作：
a) 沿着C0到祖先类的方向，查找变量f()的定义( 只要发现f()的定义，就不再继续查找 )，若没有找到f()或者找到f()但不能访问，则报错。否则(找到f()且f()可以访问)：判断f()是否为虚函数，若不是虚函数则直接调用f()；否则(f()是虚函数)，转(b);
b) f()是虚函数：沿着Ck(p实际指向的对象的类)到C0的方向，查找虚函数f()，只要发现某个类Cm(0 <= m <= k)中重定义了f() (即使Cm::f()是private属性)，则调用Cm::f()。
注意，数据成员没有虚特性 (没有多态性) 对于语句 p->i，编译器沿着C0到祖先类的方向，查找变量i的定义 (只要发现i的定义，就不再继续查找)，如果找到i的定义并且i可以访问，则访问之(成功)；否则 (没有找到i或者找到i但不能访问 )，报错。