我正在学习C++,我刚刚开始学习虚拟函数。
从我(在书中和网上)读到的内容来看,虚拟函数是基类中的函数,可以在派生类中重写。
但在本书的早些时候,当我学习基本继承时,我能够在派生类中重写基函数,而不使用虚函数。
那么我在这里错过了什么?我知道虚拟函数还有很多,它似乎很重要,所以我想清楚它到底是什么。我只是在网上找不到一个直截了当的答案。
我正在学习C++,我刚刚开始学习虚拟函数。
从我(在书中和网上)读到的内容来看,虚拟函数是基类中的函数,可以在派生类中重写。
但在本书的早些时候,当我学习基本继承时,我能够在派生类中重写基函数,而不使用虚函数。
那么我在这里错过了什么?我知道虚拟函数还有很多,它似乎很重要,所以我想清楚它到底是什么。我只是在网上找不到一个直截了当的答案。
当前回答
我认为您所指的是这样一个事实:一旦方法被声明为virtual,您就不需要在重写中使用“virtual”关键字。
class Base { virtual void foo(); };
class Derived : Base
{
void foo(); // this is overriding Base::foo
};
如果在Base的foo声明中不使用“virtual”,那么Derived的foo将只是隐藏它。
其他回答
您需要虚拟方法来实现安全的下变频、简单和简洁。
这就是虚拟方法所做的:它们安全地向下转换,使用明显简单而简洁的代码,避免了在更复杂和冗长的代码中进行不安全的手动转换。
以下代码故意“不正确”。它没有将value方法声明为virtual,因此会产生意外的“错误”结果,即0:
#include <iostream>
using namespace std;
class Expression
{
public:
auto value() const
-> double
{ return 0.0; } // This should never be invoked, really.
};
class Number
: public Expression
{
private:
double number_;
public:
auto value() const
-> double
{ return number_; } // This is OK.
Number( double const number )
: Expression()
, number_( number )
{}
};
class Sum
: public Expression
{
private:
Expression const* a_;
Expression const* b_;
public:
auto value() const
-> double
{ return a_->value() + b_->value(); } // Uhm, bad! Very bad!
Sum( Expression const* const a, Expression const* const b )
: Expression()
, a_( a )
, b_( b )
{}
};
auto main() -> int
{
Number const a( 3.14 );
Number const b( 2.72 );
Number const c( 1.0 );
Sum const sum_ab( &a, &b );
Sum const sum( &sum_ab, &c );
cout << sum.value() << endl;
}
在注释为“坏”的行中,调用了Expression::value方法,因为静态已知类型(编译时已知的类型)是Expression,而value方法不是虚拟的。
在静态已知类型表达式中将值声明为virtual可确保每次调用都会检查这是什么实际类型的对象,并调用该动态类型的值的相关实现:
#include <iostream>
using namespace std;
class Expression
{
public:
virtual
auto value() const -> double
= 0;
};
class Number
: public Expression
{
private:
double number_;
public:
auto value() const -> double
override
{ return number_; }
Number( double const number )
: Expression()
, number_( number )
{}
};
class Sum
: public Expression
{
private:
Expression const* a_;
Expression const* b_;
public:
auto value() const -> double
override
{ return a_->value() + b_->value(); } // Dynamic binding, OK!
Sum( Expression const* const a, Expression const* const b )
: Expression()
, a_( a )
, b_( b )
{}
};
auto main() -> int
{
Number const a( 3.14 );
Number const b( 2.72 );
Number const c( 1.0 );
Sum const sum_ab( &a, &b );
Sum const sum( &sum_ab, &c );
cout << sum.value() << endl;
}
这里的输出应该是6.86,因为虚拟方法是虚拟调用的。这也称为调用的动态绑定。执行一点检查,找到对象的实际动态类型,并调用该动态类型的相关方法实现。
相关的实现是最特定(最派生)类中的实现。
注意,这里的派生类中的方法实现没有标记为virtual,而是标记为override。它们可以被标记为虚拟,但它们是自动虚拟的。override关键字确保如果某个基类中没有这样的虚拟方法,那么您将得到一个错误(这是可取的)。
如果没有虚拟绑定,则必须实现一些自己动手版本的动态绑定。这通常涉及不安全的手动降级、复杂性和冗长。
对于单个函数的情况,如这里所示,将函数指针存储在对象中并通过该函数指针进行调用就足够了,但即使如此,它也会涉及一些不安全的下变频、复杂性和冗长性,即:
#include <iostream>
using namespace std;
class Expression
{
protected:
typedef auto Value_func( Expression const* ) -> double;
Value_func* value_func_;
public:
auto value() const
-> double
{ return value_func_( this ); }
Expression(): value_func_( nullptr ) {} // Like a pure virtual.
};
class Number
: public Expression
{
private:
double number_;
static
auto specific_value_func( Expression const* expr )
-> double
{ return static_cast<Number const*>( expr )->number_; }
public:
Number( double const number )
: Expression()
, number_( number )
{ value_func_ = &Number::specific_value_func; }
};
class Sum
: public Expression
{
private:
Expression const* a_;
Expression const* b_;
static
auto specific_value_func( Expression const* expr )
-> double
{
auto const p_self = static_cast<Sum const*>( expr );
return p_self->a_->value() + p_self->b_->value();
}
public:
Sum( Expression const* const a, Expression const* const b )
: Expression()
, a_( a )
, b_( b )
{ value_func_ = &Sum::specific_value_func; }
};
auto main() -> int
{
Number const a( 3.14 );
Number const b( 2.72 );
Number const c( 1.0 );
Sum const sum_ab( &a, &b );
Sum const sum( &sum_ab, &c );
cout << sum.value() << endl;
}
看待这一点的一种积极方式是,如果您遇到了如上所述的不安全的下变频、复杂性和冗长,那么通常一个或多个虚拟方法确实会有帮助。
以下是我如何理解虚拟函数的含义,以及为什么需要它们:
假设您有以下两个类:
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."; }
};
在主功能中:
Animal *animal = new Animal;
Cat *cat = new Cat;
animal->eat(); // Outputs: "I'm eating generic food."
cat->eat(); // Outputs: "I'm eating a rat."
到目前为止还不错,对吧?动物吃普通食物,猫吃老鼠,都没有虚拟食物。
现在让我们稍微改变一下,以便通过一个中间函数调用eat()(本例中的一个普通函数):
// This can go at the top of the main.cpp file
void func(Animal *xyz) { xyz->eat(); }
现在我们的主要功能是:
Animal *animal = new Animal;
Cat *cat = new Cat;
func(animal); // Outputs: "I'm eating generic food."
func(cat); // Outputs: "I'm eating generic food."
哦哦。。。我们把一只猫传给func(),但它不会吃老鼠。是否应该重载func()以使其使用Cat*?如果你必须从Animal派生出更多的动物,它们都需要自己的func()。
解决方案是使Animal类中的eat()成为一个虚拟函数:
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."; }
};
主要内容:
func(animal); // Outputs: "I'm eating generic food."
func(cat); // Outputs: "I'm eating a rat."
完成。
virtual关键字强制编译器选择对象类中定义的方法实现,而不是指针类中的方法实现。
Shape *shape = new Triangle();
cout << shape->getName();
在上面的示例中,默认情况下将调用Shape::getName,除非getName()在基类Shape中定义为virtual。这迫使编译器在Triangle类而不是Shape类中查找getName()实现。
虚拟表是编译器跟踪子类的各种虚拟方法实现的机制。这也被称为动态调度,并且存在一些与之相关的开销。
最后,为什么在C++中甚至需要虚拟,为什么不将其作为Java中的默认行为?
C++基于“零开销”和“按需付费”的原则。因此,除非您需要,否则它不会尝试为您执行动态调度。为界面提供更多控制。通过使函数非虚拟化,接口/抽象类可以控制其所有实现中的行为。
我以对话的形式给出了答案,以便更好地阅读:
为什么我们需要虚拟功能?
因为多态性。
什么是多态性?
基指针也可以指向派生类型对象。
多态性的定义是如何导致对虚拟函数的需求的?
嗯,通过早期绑定。
什么是早期绑定?
C++中的早期绑定(编译时绑定)意味着在执行程序之前,函数调用是固定的。
所以
因此,如果您使用基类型作为函数的参数,编译器将只识别基接口,如果您用派生类的任何参数调用该函数,它将被截断,这不是您想要的。
如果这不是我们想要的,为什么允许这样做?
因为我们需要多态性!
那么多态性的好处是什么?
您可以使用基类型指针作为单个函数的参数,然后在程序运行时,您可以使用该基指针的解引用来访问每个派生类型接口(例如,它们的成员函数),而不会出现任何问题。
我仍然不知道虚拟函数有什么好处。。。!这是我的第一个问题!
嗯,这是因为你问得太快了!
为什么我们需要虚拟功能?
假设您使用基指针调用了一个函数,该函数具有来自其派生类之一的对象地址。正如我们上面所讨论的,在运行时,这个指针会被取消引用,但是,到目前为止,我们希望“从我们的派生类”执行一个方法(==成员函数)!然而,基类中已经定义了相同的方法(具有相同标头的方法),那么为什么您的程序要费心选择另一个方法呢?换言之,我的意思是,你怎么能把这种情况与我们以前通常看到的情况区分开来?
简单的答案是“基类中的一个虚拟成员函数”,稍长一点的答案是,“在这一步,如果程序在基类中看到一个虚拟函数,它知道(意识到)您正在尝试使用多态性”,因此去到派生类(使用v-table,一种后期绑定形式),发现另一个方法具有相同的头,但预期实现不同。
为什么实施不同?
你这个笨蛋!去读一本好书吧!
好吧,等等,等等,当他/她可以简单地使用派生类型指针时,为什么还要麻烦使用基指针呢?你是法官,所有这些头疼值得吗?看看这两个片段:
//1:
Parent* p1 = &boy;
p1 -> task();
Parent* p2 = &girl;
p2 -> task();
//2:
Boy* p1 = &boy;
p1 -> task();
Girl* p2 = &girl;
p2 -> task();
好吧,虽然我认为1还是比2好,但你也可以这样写1:
//1:
Parent* p1 = &boy;
p1 -> task();
p1 = &girl;
p1 -> task();
此外,你应该意识到,这只是我迄今为止向你解释的所有事情的一种人为使用。相反,假设例如在程序中有一个函数分别使用每个派生类的方法(getMonthBenefit()):
double totalMonthBenefit = 0;
std::vector<CentralShop*> mainShop = { &shop1, &shop2, &shop3, &shop4, &shop5, &shop6};
for(CentralShop* x : mainShop){
totalMonthBenefit += x -> getMonthBenefit();
}
现在,试着重新写一遍,不要让人头疼!
double totalMonthBenefit=0;
Shop1* branch1 = &shop1;
Shop2* branch2 = &shop2;
Shop3* branch3 = &shop3;
Shop4* branch4 = &shop4;
Shop5* branch5 = &shop5;
Shop6* branch6 = &shop6;
totalMonthBenefit += branch1 -> getMonthBenefit();
totalMonthBenefit += branch2 -> getMonthBenefit();
totalMonthBenefit += branch3 -> getMonthBenefit();
totalMonthBenefit += branch4 -> getMonthBenefit();
totalMonthBenefit += branch5 -> getMonthBenefit();
totalMonthBenefit += branch6 -> getMonthBenefit();
事实上,这可能也是一个虚构的例子!
关键字virtual告诉编译器它不应该执行早期绑定。相反,它应该自动安装执行后期绑定所需的所有机制。为了实现这一点,典型的编译器1为每个包含虚拟函数的类创建一个表(称为VTABLE)。编译器将该特定类的虚拟函数的地址放在VTABLE中。在每个具有虚拟函数的类中,它都会秘密地放置一个指针,称为vpointer(缩写为VPTR),该指针指向该对象的VTABLE。当您通过基类指针进行虚拟函数调用时,编译器会悄悄地插入代码以获取VPTR并在VTABLE中查找函数地址,从而调用正确的函数并导致延迟绑定。
此链接中的详细信息http://cplusplusinterviews.blogspot.sg/2015/04/virtual-mechanism.html