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

什么是虛函數(shù)？

虛函數(shù)是基類(lèi)中聲明的成員函數(shù)，且使用者期望在派生類(lèi)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(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)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(xì)地討論運(yùn)行時(shí)多態(tài)。不論函數(shù)調(diào)用所使用的指針或引用類(lèi)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(gè)關(guān)鍵規(guī)則：

在基類(lèi)中使用?virtual?關(guān)鍵詞來(lái)聲明函數(shù)

虛函數(shù)不能為靜態(tài)函數(shù)

為實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)多態(tài)，應(yīng)使用指針或引用來(lái)訪問(wèn)虛擬函數(shù)

對(duì)于基類(lèi)和派生類(lèi)而言，此類(lèi)函數(shù)的原型應(yīng)該相同（允許使用協(xié)變式返回類(lèi)型，我們將在下文進(jìn)行討論）

如果基類(lèi)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(cuò)誤

2 用 C++ 運(yùn)行虛函數(shù)的示例

虛函數(shù)在?C++ 中的運(yùn)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(gè)通用基類(lèi)。但是我們?nèi)匀幌Ｍ嬖谝粋€(gè) make_sound 函數(shù)，這樣，我們就能在不知道 pet 類(lèi)型的情況下，在 pet 上調(diào)用 make_sound。僅在進(jìn)行編譯時(shí)，我們才能知道 pet 類(lèi)型。因此，我們?cè)诨?lèi)中聲明虛函數(shù) make_sound，用 =0 來(lái)將其表示為由派生類(lèi)實(shí)現(xiàn)的純虛函數(shù)。 然后，再由 Dog 和 Cat 來(lái)真正實(shí)現(xiàn)該函數(shù)。實(shí)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(lèi)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(wú)需在編譯時(shí)知道該指針指向哪種 pet。我們會(huì)在運(yùn)行時(shí)，根據(jù)實(shí)際存在的對(duì)象，實(shí)現(xiàn)所需函數(shù)。 我們必須要強(qiáng)調(diào)，這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的示例。我們也有其他解決方案應(yīng)對(duì)這一簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)過(guò)程，因此不對(duì)其他解決方案進(jìn)行額外展示。通常情況下，會(huì)使用虛函數(shù)為派生類(lèi)中的不同行為建模，而相應(yīng)行為不能用簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)成員來(lái)建模。 ?


3 協(xié)變式返回類(lèi)型


我們提到過(guò)，若要實(shí)現(xiàn)虛函數(shù)，派生類(lèi)函數(shù)的簽名必須與基類(lèi)中的簽名相匹配。唯一允許的區(qū)別是在返回類(lèi)型上，只要派生類(lèi)的返回類(lèi)型是基類(lèi)返回的派生類(lèi)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(lèi)型，DogFactory 和 CatFactory 則能知道更為具體的內(nèi)容，這種虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式仍然行之有效。??

在 C++ 中使用虛函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)在，如果您已經(jīng)花費(fèi)時(shí)間研究過(guò) C++，可能會(huì)注意到，不需要由虛函數(shù)來(lái)重新定義派生類(lèi)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(xiě)基類(lèi)函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)多態(tài)。從本質(zhì)上講，多態(tài)指一個(gè)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(yǔ)言而有別于 C 語(yǔ)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(diǎn)：根據(jù)運(yùn)行時(shí)已知的調(diào)用對(duì)象，通過(guò)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(lái)，運(yùn)行時(shí)多態(tài)便能從真正意義上使您的代碼反映現(xiàn)實(shí)——特別是各場(chǎng)景中的對(duì)象（或人、動(dòng)物、形狀）并不總是以相同方式執(zhí)行。 ?


2 代碼可復(fù)用

通過(guò)使用虛函數(shù)，我們可以將只應(yīng)實(shí)現(xiàn)一次的通用操作和不同子類(lèi)中可能有所不同的具體細(xì)節(jié)區(qū)分開(kāi)來(lái)。試想以下示例：如果我們希望實(shí)現(xiàn) prism 類(lèi)層次結(jié)構(gòu)，則需要在各派生類(lèi)中分別計(jì)算基面積，但可以使用派生類(lèi)實(shí)現(xiàn)基面積計(jì)算，從而在基類(lèi)中實(shí)現(xiàn)體積函數(shù)。實(shí)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(jì)

術(shù)語(yǔ)“契約式設(shè)計(jì)”指如果代碼設(shè)置有執(zhí)行設(shè)計(jì)的契約，會(huì)比只通過(guò)文檔來(lái)執(zhí)行設(shè)計(jì)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(lèi)中以不同方式重新實(shí)現(xiàn)特定操作的設(shè)計(jì)決策，可將其視為契約式設(shè)計(jì)工具。 ?


虛函數(shù)的局限性

虛函數(shù)功能極為強(qiáng)大，但它們并非毫無(wú)缺點(diǎn)。開(kāi)始使用虛函數(shù)前，您應(yīng)該注意以下事項(xiàng)：

1 性能

無(wú)論是在運(yùn)行時(shí)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(shí)現(xiàn)方式，但最為常見(jiàn)的是每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)額外內(nèi)部指針。這并不是什么大問(wèn)題，除非我們有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的小對(duì)象，這些小對(duì)象的額外指針可能會(huì)引起內(nèi)存問(wèn)題。

函數(shù)的運(yùn)行時(shí)性能成本不是一次跳轉(zhuǎn)而是兩次跳轉(zhuǎn)，或者如果可以?xún)?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(zhǔn)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(shí)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(gè)虛函數(shù)添加到類(lèi)中，通常需要考慮額外成本。

2設(shè)計(jì)問(wèn)題

繼承，特別是虛函數(shù)，會(huì)引起設(shè)計(jì)問(wèn)題。繼承層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)糟糕可能會(huì)導(dǎo)致類(lèi)膨脹和類(lèi)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(huì)影響您的設(shè)計(jì)。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(lái)，有時(shí)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(jì)，應(yīng)切記繼承和多態(tài)并非是應(yīng)對(duì)任何問(wèn)題的最佳解決方案。請(qǐng)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(cuò)

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(huì)變得稍顯混亂。一般來(lái)說(shuō)，遵循函數(shù)調(diào)用并不十分困難，但根據(jù)對(duì)象類(lèi)型，在遵循隱藏調(diào)度方面，仍然需要進(jìn)行額外工作。調(diào)試器會(huì)自行糾正錯(cuò)誤，但決定斷點(diǎn)位置可能會(huì)變得更加困難。

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

可將其視為契約式設(shè)計(jì)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(duì)基于簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)成員的不同行為進(jìn)行建模。如果不同類(lèi)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(shí)進(jìn)行初始化，這樣就沒(méi)有問(wèn)題了。但在許多情況下，行為更加復(fù)雜，需要不同的實(shí)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(lèi)型已知，且列表不會(huì)太長(zhǎng)時(shí)，二者可能相關(guān)。您可以點(diǎn)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(duì)象的 lambda，或者作為舊有 C 樣式的函數(shù)指針，隨后對(duì)其進(jìn)行建模，而無(wú)需在類(lèi)層次結(jié)構(gòu)中對(duì)不同操作進(jìn)行建模。通過(guò)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(kāi)來(lái)，這帶來(lái)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(dòng)態(tài)，但基于編譯時(shí)已知的實(shí)際想要使用的類(lèi)型。例如，您可能希望代碼同時(shí)支持 UDPConnection 和 TCPConnection，但在編譯時(shí)，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(shí)現(xiàn)更佳性能。 一些替代技術(shù)可能會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目編譯時(shí)間變長(zhǎng)。我們認(rèn)為，特別是當(dāng)您使用 Incredibuild 來(lái)加速構(gòu)建時(shí)，這不會(huì)影響您的決策設(shè)計(jì)。首先選擇合適的設(shè)計(jì)方案，然后使用正確工具來(lái)縮減編譯時(shí)間即可。

用 Incredibuild 加速您的 C++ 虛函數(shù)

如果您想在不嚴(yán)重拖累編譯速度和構(gòu)建進(jìn)程的情況下，從虛擬函數(shù)中受益，您就需要強(qiáng)大的計(jì)算能力作為后援。 Incredibuild 能夠做到這一點(diǎn)。通過(guò)在虛擬機(jī)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(shí)下主流編譯器和構(gòu)建系統(tǒng)無(wú)縫集成，包括 Visual Studio、Qt Creator 和 Clang。 如此一來(lái)，虛函數(shù)便能具備極高的靈活性和效率，而無(wú)需花費(fèi)時(shí)間來(lái)等待代碼編譯。 首先選擇合適的設(shè)計(jì)方案，然后使用正確工具來(lái)縮減編譯時(shí)間即可。

總 結(jié)

?1. 什么是 C++ 的虛函數(shù)？

虛擬函數(shù)是基類(lèi)中聲明的成員函數(shù)，將在派生類(lèi)中重新定義。在 C++ 中，使用虛函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)多態(tài)。

2. 虛函數(shù)存在哪些問(wèn)題？

在運(yùn)行時(shí)性能和內(nèi)存使用方面，相比于普通函數(shù)，虛擬函數(shù)會(huì)造成更多影響。此外，虛擬函數(shù)會(huì)產(chǎn)生基于繼承層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，導(dǎo)致類(lèi)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(wèn)題，往往難以進(jìn)行調(diào)試。由于調(diào)用順序的不可預(yù)測(cè)性，使用虛擬函數(shù)更容易引發(fā)錯(cuò)誤。

3. 在 C++ 中，虛函數(shù)有何替代方案？

是的，為了實(shí)現(xiàn)更好的設(shè)計(jì)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(xiàng)工具，必要時(shí)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(zhǎng)的編譯時(shí)間影響您的設(shè)計(jì)方案。確保選用合適的工具來(lái)加速構(gòu)建進(jìn)程，如果您沒(méi)有使用 Incredibuild，請(qǐng)了解我們的解決方案，看看 Incredibuild 在減少編譯時(shí)間方面可實(shí)現(xiàn)的驚人效果。
　　

審核編輯：湯梓紅