?? 本期博客，我們來介紹C++中的虛函數(shù)，并給出一些實際操作的建議。?

什么是虛函數(shù)？

虛函數(shù)是基類中聲明的成員函數(shù)，且使用者期望在派生類中將其重新定義。那么，在?C++ 中，什么是虛函數(shù)呢？在?C++ 中，通常將虛函數(shù)用于實現(xiàn)運行時多態(tài)，該特性由 C++ 提供，適用于面向?qū)ο?a target="_blank">編程。我們將在下文更為詳細地討論運行時多態(tài)。不論函數(shù)調(diào)用所使用的指針或引用類型如何，虛函數(shù)最為重要的工作是確保函數(shù)調(diào)用正確。

1虛函數(shù)的使用規(guī)則

C++?虛函數(shù)必須遵循幾個關(guān)鍵規(guī)則：

在基類中使用?virtual?關(guān)鍵詞來聲明函數(shù)

虛函數(shù)不能為靜態(tài)函數(shù)

為實現(xiàn)運行時多態(tài)，應(yīng)使用指針或引用來訪問虛擬函數(shù)

對于基類和派生類而言，此類函數(shù)的原型應(yīng)該相同（允許使用協(xié)變式返回類型，我們將在下文進行討論）

如果基類中含有虛函數(shù)，則應(yīng)該使用虛擬析構(gòu)函數(shù)，防止析構(gòu)函數(shù)調(diào)用錯誤

2 用 C++ 運行虛函數(shù)的示例

虛函數(shù)在?C++ 中的運行情況：

?

class Pet {
public:
    virtual ~Pet() {}
    virtual void make_sound() const = 0;
};


class Dog: public Pet {
public:
    virtual void make_sound() const override {
        std::cout << "raf raf
";
    }
};


class Cat: public Pet {
public:
    virtual void make_sound() const override {
        std::cout << "mewo
";
    }
};


int main() {
    Cat mitzi;
    Dog roxy;
    Pet *pets[] = {&mitzi, &roxy};
    for(auto pPet: pets) {
        pPet->make_sound();
    }
}

解釋一下上述示例。 Pet 這是一個通用基類。但是我們?nèi)匀幌Ｍ嬖谝粋€ make_sound 函數(shù)，這樣，我們就能在不知道 pet 類型的情況下，在 pet 上調(diào)用 make_sound。僅在進行編譯時，我們才能知道 pet 類型。因此，我們在基類中聲明虛函數(shù) make_sound，用 =0 來將其表示為由派生類實現(xiàn)的純虛函數(shù)。 然后，再由 Dog 和 Cat 來真正實現(xiàn)該函數(shù)。實現(xiàn)函數(shù)期間，我們添加關(guān)鍵詞 override，這樣，編譯器就能確保函數(shù)簽名與基類中的簽名相匹配。 在 main 中，我們可以在 Pet 指針上調(diào)用 make_sound，而無需在編譯時知道該指針指向哪種 pet。我們會在運行時，根據(jù)實際存在的對象，實現(xiàn)所需函數(shù)。 我們必須要強調(diào)，這是一個非常簡單的示例。我們也有其他解決方案應(yīng)對這一簡單示例（例如，為 pet’s sound 持有數(shù)據(jù)成員，并避免使用虛函數(shù)）。但我們想要展示虛函數(shù)的實現(xiàn)過程，因此不對其他解決方案進行額外展示。通常情況下，會使用虛函數(shù)為派生類中的不同行為建模，而相應(yīng)行為不能用簡單數(shù)據(jù)成員來建模。 ?


3 協(xié)變式返回類型


我們提到過，若要實現(xiàn)虛函數(shù)，派生類函數(shù)的簽名必須與基類中的簽名相匹配。唯一允許的區(qū)別是在返回類型上，只要派生類的返回類型是基類返回的派生類型即可。讓我們看看下面的示例：

class PetFactory {
public:
    virtual ~PetFactory() {}
    virtual Pet* create() const = 0;
} 


class DogFactory: public PetFactory {
public:
    virtual Dog* create() const override {
        return new Dog();
    }
}; 


class CatFactory: public PetFactory {
public:
    virtual Cat* create() const override {
        return new Cat();
    }
};


int main() {
    std::vector pets;
    DogFactory df;
    CatFactory cf;
    PetFactory* petFactory[] = {&df, &cf};
    for(auto factory: petFactory) {
        pets.push_back(factory->create());
    }
    for(auto pPet: pets) {
        pPet->make_sound();
    }
    for(auto pPet: pets) {
        delete pPet;
    }
}

在上述示例中，PetFactory 創(chuàng)建函數(shù)僅能知道它可以返回 Pet*，但使用協(xié)變式返回類型，DogFactory 和 CatFactory 則能知道更為具體的內(nèi)容，這種虛函數(shù)的實現(xiàn)方式仍然行之有效。??

在 C++ 中使用虛函數(shù)的優(yōu)點

現(xiàn)在，如果您已經(jīng)花費時間研究過 C++，可能會注意到，不需要由虛函數(shù)來重新定義派生類中的基函數(shù)。但存在這樣的巨大區(qū)別，使得虛函數(shù)不可或缺：虛函數(shù)覆寫基類函數(shù)，從而實現(xiàn)運行時多態(tài)。從本質(zhì)上講，多態(tài)指一個函數(shù)或?qū)ο笠圆煌绞綀?zhí)行的能力，具體情況視使用方式而定。這屬于面向?qū)ο缶幊痰年P(guān)鍵特性——結(jié)合其他眾多特性，使得 C++ 作為編程語言而有別于 C 語言。

1 代碼更為靈活、更為通用

這是貫穿所有多態(tài)程序的主要優(yōu)點：根據(jù)運行時已知的調(diào)用對象，通過允許以不同方式執(zhí)行函數(shù)調(diào)用，能使程序更為靈活而通用。如此一來，運行時多態(tài)便能從真正意義上使您的代碼反映現(xiàn)實——特別是各場景中的對象（或人、動物、形狀）并不總是以相同方式執(zhí)行。 ?


2 代碼可復(fù)用

通過使用虛函數(shù)，我們可以將只應(yīng)實現(xiàn)一次的通用操作和不同子類中可能有所不同的具體細節(jié)區(qū)分開來。試想以下示例：如果我們希望實現(xiàn) prism 類層次結(jié)構(gòu)，則需要在各派生類中分別計算基面積，但可以使用派生類實現(xiàn)基面積計算，從而在基類中實現(xiàn)體積函數(shù)。實現(xiàn)代碼如下：

class Prism {
    double height;
public:
    virtual ~Prism() {}
    virtual double baseArea() const = 0;
    double volume() const {
        return height * baseArea();
    }
    // ...
};


class Cylinder: public Prism {
    double radius;
public:
    double baseArea() const override {
         return radius * radius * std::pi
    }
    // ...
};

3 契約式設(shè)計

術(shù)語“契約式設(shè)計”指如果代碼設(shè)置有執(zhí)行設(shè)計的契約，會比只通過文檔來執(zhí)行設(shè)計要好得多。虛函數(shù)，特別是純虛函數(shù)，因其決定了在派生類中以不同方式重新實現(xiàn)特定操作的設(shè)計決策，可將其視為契約式設(shè)計工具。 ?


虛函數(shù)的局限性

虛函數(shù)功能極為強大，但它們并非毫無缺點。開始使用虛函數(shù)前，您應(yīng)該注意以下事項：

1 性能

無論是在運行時性能還是在內(nèi)存方面，虛函數(shù)成本都要比普通函數(shù)高。

內(nèi)存部分通常冗余，取決于實現(xiàn)方式，但最為常見的是每個對象都有一個額外內(nèi)部指針。這并不是什么大問題，除非我們有數(shù)以百萬計的小對象，這些小對象的額外指針可能會引起內(nèi)存問題。

函數(shù)的運行時性能成本不是一次跳轉(zhuǎn)而是兩次跳轉(zhuǎn)，或者如果可以內(nèi)聯(lián)函數(shù)，性能成本就是兩次跳轉(zhuǎn)而不是零次跳轉(zhuǎn)。虛函數(shù)需要跳轉(zhuǎn)到虛函數(shù)表，再跳轉(zhuǎn)到函數(shù)本身。這種額外跳轉(zhuǎn)增加了 CPU 指令緩存中指令未準備就緒的概率，因此，這兩次跳轉(zhuǎn)并非唯一成本。

最后，如果您需要實現(xiàn)多態(tài)，與其他替代方案相比，性能方面的額外成本通常也在情理之中。然而，若要將第一個虛函數(shù)添加到類中，通常需要考慮額外成本。

2設(shè)計問題

繼承，特別是虛函數(shù)，會引起設(shè)計問題。繼承層次結(jié)構(gòu)設(shè)計糟糕可能會導(dǎo)致類膨脹和類之間關(guān)系異常。

從構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)調(diào)用虛函數(shù)的規(guī)則也會影響您的設(shè)計。從構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)調(diào)用的任何虛函數(shù)都不是多態(tài)函數(shù)，這樣一來，有時需要將操作從構(gòu)造函數(shù)轉(zhuǎn)移到 init 虛擬函數(shù)。

為避免糟糕設(shè)計，應(yīng)切記繼承和多態(tài)并非是應(yīng)對任何問題的最佳解決方案。請觀看 Sean Parent 的演講”Inheritance is the Base Class of Evil“，深入了解相關(guān)內(nèi)容。

3 調(diào)試，容易出錯

諷刺的是，虛函數(shù)面臨的挑戰(zhàn)之一是缺乏彈性。

由于需要遵循調(diào)用流程，調(diào)試虛函數(shù)調(diào)用可能會變得稍顯混亂。一般來說，遵循函數(shù)調(diào)用并不十分困難，但根據(jù)對象類型，在遵循隱藏調(diào)度方面，仍然需要進行額外工作。調(diào)試器會自行糾正錯誤，但決定斷點位置可能會變得更加困難。

至于更容易出錯，在某些情況下，不應(yīng)調(diào)用虛函數(shù)的基類實現(xiàn)；而在某些情況下，應(yīng)在開始時調(diào)用，有時也在結(jié)束時調(diào)用。由于忘記調(diào)用基類實現(xiàn)，或是在錯誤的地方、不需要的時候調(diào)用，使用虛函數(shù)極其容易出錯。

可將其視為契約式設(shè)計工具。


虛函數(shù)的替代方案

1 僅使用數(shù)據(jù)成員


第一種替代方案是嘗試并對基于簡單數(shù)據(jù)成員的不同行為進行建模。如果不同類型的唯一區(qū)別是 sound，那就將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)成員，在構(gòu)造時進行初始化，這樣就沒有問題了。但在許多情況下，行為更加復(fù)雜，需要不同的實現(xiàn)方式。 ?

2 變體

另一種方案是使用 std::variant 和 std::visit，特別是待支持的不同類型已知，且列表不會太長時，二者可能相關(guān)。您可以點擊此處和此處閱讀更多關(guān)于該方案的信息。 ?


3 函數(shù)式編程

您可以傳遞待執(zhí)行的操作，將其作為函數(shù)對象的 lambda，或者作為舊有 C 樣式的函數(shù)指針，隨后對其進行建模，而無需在類層次結(jié)構(gòu)中對不同操作進行建模。通過該方法，您能將數(shù)據(jù)模型和可能想要執(zhí)行的操作區(qū)分開來，這帶來了極高靈活性。 ?

4 靜態(tài)多態(tài)


靜態(tài)多態(tài)是一種基于模板的方法，用于獲取多態(tài)動態(tài)，但基于編譯時已知的實際想要使用的類型。例如，您可能希望代碼同時支持 UDPConnection 和 TCPConnection，但在編譯時，您可能想要知道使用 UDPConnection 或 TCPConnection 的具體流程?；谀０宓撵o態(tài)多態(tài)可以實現(xiàn)更佳性能。 一些替代技術(shù)可能會導(dǎo)致項目編譯時間變長。我們認為，特別是當您使用 Incredibuild 來加速構(gòu)建時，這不會影響您的決策設(shè)計。首先選擇合適的設(shè)計方案，然后使用正確工具來縮減編譯時間即可。

用 Incredibuild 加速您的 C++ 虛函數(shù)

如果您想在不嚴重拖累編譯速度和構(gòu)建進程的情況下，從虛擬函數(shù)中受益，您就需要強大的計算能力作為后援。 Incredibuild 能夠做到這一點。通過在虛擬機在本地網(wǎng)絡(luò)上分配編譯任務(wù)，Incredibuild 從根本上加快了 C++ 的編譯速度。此外，Incredibuild 能與時下主流編譯器和構(gòu)建系統(tǒng)無縫集成，包括 Visual Studio、Qt Creator 和 Clang。 如此一來，虛函數(shù)便能具備極高的靈活性和效率，而無需花費時間來等待代碼編譯。 首先選擇合適的設(shè)計方案，然后使用正確工具來縮減編譯時間即可。

總 結(jié)

?1. 什么是 C++ 的虛函數(shù)？

虛擬函數(shù)是基類中聲明的成員函數(shù)，將在派生類中重新定義。在 C++ 中，使用虛函數(shù)來實現(xiàn)運行時多態(tài)。

2. 虛函數(shù)存在哪些問題？

在運行時性能和內(nèi)存使用方面，相比于普通函數(shù)，虛擬函數(shù)會造成更多影響。此外，虛擬函數(shù)會產(chǎn)生基于繼承層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題，導(dǎo)致類膨脹和關(guān)系異常。最后，虛擬函數(shù)由于存在函數(shù)調(diào)用問題，往往難以進行調(diào)試。由于調(diào)用順序的不可預(yù)測性，使用虛擬函數(shù)更容易引發(fā)錯誤。

3. 在 C++ 中，虛函數(shù)有何替代方案？

是的，為了實現(xiàn)更好的設(shè)計或者是獲得更佳的性能，您可能要考慮一些替代方案。但鑒于 C++ 程序員普遍使用虛函數(shù)，您應(yīng)將其視為工具包內(nèi)的一項工具，必要時加以使用。 如果您選擇了另一種替代方案，比如基于模板的靜態(tài)多態(tài)，切勿讓較長的編譯時間影響您的設(shè)計方案。確保選用合適的工具來加速構(gòu)建進程，如果您沒有使用 Incredibuild，請了解我們的解決方案，看看 Incredibuild 在減少編譯時間方面可實現(xiàn)的驚人效果。
　　

審核編輯：湯梓紅