15.3. Виртуальные функции

Как уже упоминалось, в языке С++ динамическое связывание происходит при вызове виртуальной функции-члена через ссылку или указатель на тип базового класса (см. раздел 15.1). Поскольку до времени выполнения неизвестно, какая версия функции вызывается, виртуальные функции следует определять всегда. Обычно, если функция не используется, ее определение предоставлять необязательно (см. раздел 6.1.2). Однако следует определить каждую виртуальную функцию, независимо от того, будет ли она использована, поскольку у компилятора нет никакого способа определить, используется ли виртуальная функция.

Вызовы виртуальной функции могут быть распознаны во время выполнения

Когда виртуальная функция вызывается через ссылку или указатель, компилятор создает код распознавания во время выполнения (decide at run time) вызываемой функции. Вызывается та функция, которая соответствует динамическому типу объекта, связанного с этим указателем или ссылкой.

В качестве примера рассмотрим функцию print_total() из раздела 15.1. Она вызывает функцию net_price() своего параметра item типа Quote&. Поскольку параметр item — это ссылка и функция net_price() является виртуальной, какая именно из ее версий будет вызвана во время выполнения, зависит от фактического (динамического) типа аргумента, связанного с параметром item:

Quote base("0-201-82470-1", 50);

print_total(cout, base, 10);   // вызов Quote::net_price()

Bulk_quote derived("0-201-82470-1", 50, 5, .19);

print_total(cout, derived, 10); // вызов Bulk_quote::net_price()

В первом вызове параметр item связан с объектом типа Quote. В результате, когда функция print_total() вызовет функцию net_price(), выполнится ее версия, определенная в классе Quote. Во втором вызове параметр item связан с объектом класса Bulk_quote. В этом вызове функция print_total() вызывает версию функции net_price() класса Bulk_quote.

Крайне важно понимать, что динамическое связывание происходит только при вызове виртуальной функции через указатель или ссылку.

base = derived;     // копирует часть Quote производного в базовый

base.net_price(20); // вызов Quote::net_price()

Когда происходит вызов виртуальной функции в выражении с обычным типом (не ссылкой и не указателем), такой вызов привязывается во время компиляции. Например, когда происходит вызов функции net_price() объекта base, нет никаких вопросов о выполняемой версии. Можно изменить значение (т.е. содержимое) объекта, который представляет base, но нет никакого способа изменить тип этого объекта. Следовательно, этот вызов распознается во время компиляции как версия Quote::net_price().

Ключевая концепция. Полиморфизм в языке С++

Одной из ключевых концепций ООП является полиморфизм (polymorphism). В переводе с греческого языка "полиморфизм" означает множество форм. Связанные наследованием типы считаются полиморфными, поскольку вполне можно использовать многообразие форм этих типов, игнорируя различия между ними. Краеугольным камнем поддержки полиморфизма в языке С++ является тот факт, что статические и динамические типы ссылок и указателей могут отличаться.

Когда при помощи ссылки или указателя на базовый класс происходит вызов функции, определенной в базовом классе, точный тип объекта, для которого будет выполняться функция, неизвестен. Это может быть объект базового класса, а может быть и производного. Если вызываемая функция не виртуальна, независимо от фактического типа объекта, выполнена будет та версия функции, которая определена в базовом классе. Если функция виртуальна, решение о фактически выполняемой версии функции откладывается до времени выполнения. Она определяется на основании типа объекта, с которым связана ссылка или указатель.

С другой стороны, вызовы невиртуальных функций связываются во время компиляции. Точно так же вызовы любой функции (виртуальной или нет) для объекта связываются во время компиляции. Тип объекта фиксирован и неизменен — никак нельзя заставить динамический тип объекта отличаться от его статического типа. Поэтому вызовы для объекта связываются во время компиляции с версией, определенной типом объекта.

Виртуальные функции распознаются во время выполнения, только если вызов осуществляется через ссылку или указатель. Только в этих случаях динамический тип объекта может отличаться от его статического типа.

Виртуальные функции в производном классе

При переопределении виртуальной функции производный класс может, но не обязан, повторить ключевое слово virtual. Как только функция объявляется виртуальной, она остается виртуальной во всех производных классах.

У функции производного класса, переопределяющей унаследованную виртуальную функцию, должны быть точно такие же типы параметров, как и у функции базового класса, которую она переопределяет.

За одним исключением тип возвращаемого значения виртуальной функции в производном классе также должен соответствовать типу возвращаемого значения функции в базовом классе. Исключение относится к виртуальным функциям, возвращающим ссылку (или указатель) на тип, который сам связан наследованием. Таким образом, если тип D происходит от типа В, то виртуальная функция базового класса может возвратить указатель на тип B*, а ее версия в производном классе может возвратить указатель на тип D*. Но такие типы возвращаемого значения требуют, чтобы преобразование производного класса в базовый из типа D в тип В было доступно. Доступность базового класса рассматривается в разделе 15.5. Пример такого вида виртуальной функции рассматривается в разделе 15.8.1.

Функция, являющаяся виртуальной в базовом классе, неявно остается виртуальной в его производных классах. Когда производный класс переопределяет виртуальную функцию, ее параметры в базовом и производных классах должны точно совпадать.

Спецификаторы final и override

Как будет продемонстрировано в разделе 15.6, производный класс вполне может определить функцию с тем же именем, что и виртуальная функция в его базовом классе, но с другим списком параметров. Компилятор полагает, что такая функция независима от функции базового класса. В таких случаях версия в производном классе не переопределяет версию в базовом. На практике такие объявления зачастую являются ошибкой — автор класса намеревался переопределить виртуальную функцию базового класса, но сделал ошибку в определении списка параметров.

Поиск таких ошибок может быть на удивление трудным. По новому стандарту можно задать переопределение виртуальной функции в производном классе. Это дает ясно понять наше намерение и (что еще более важно) позволяет компилятору самому находить такие проблемы. Компилятор отвергнет программу, если функция, отмеченная как override, не переопределит существующую виртуальную функцию:

struct В {

 virtual void f1(int) const;

 virtual void f2();

 void f3();

};

struct D1 : B {

 void f1(int) const override; // ok: f1() соответствует f1() базового

 void f2(int) override;       // ошибка: В не имеет функции f2(int)

 void f3() override;          // ошибка: f3() не виртуальная функция

 void f4() override;          // ошибка: В не имеет функции f4()

};

В структуре D1 спецификатор override для функции f1() вполне подходит; и базовые, и производные версии функции-члена f1() константы, они получают тип int и возвращают void. Версия f1() в структуре D1 правильно переопределяет виртуальную функцию, которую она унаследовала от структуры B.

Объявление функции f2() в структуре D1 не соответствует объявлению функции f2() в структуре B — она не получает никаких аргументов, а определенная в структуре D1 получает аргумент типа int. Поскольку объявления не совпадают, функция f2() в структуре D1 не переопределяет функцию f2() структуры В; это новая функция со случайно совпавшим именем. Как уже упоминалось, это объявление должно было быть переопределено, но этого не произошло и компилятор сообщил об ошибке.

Поскольку переопределена может быть только виртуальная функция, компилятор отвергнет также функцию f3() в структуре D1. Эта функция не виртуальна в структуре В, поэтому нечего и переопределять.

Точно так же ошибочна и функция f4(), поскольку в структуре В даже нет такой функции.

Функцию можно также определить как final. Любая попытка переопределения функции, которая была определена со спецификатором final, будет помечена как ошибка:

struct D2 : В {

 // наследует f2() и f3() из В и переопределяет f1(int)

 void f1(int) const final; // последующие классы не могут

                           // переопределять f1(int)

};

struct D3 : D2 {

 void f2(); // ok: переопределение f2() унаследованной от косвенно

            // базовой структуры В

 void f1(int) const; // ошибка: D2 объявила f2() как final

};

Спецификаторы final и override располагаются после списка параметров (включая квалификаторы ссылки или const) и после замыкающего типа (см. раздел 6.3.3).

Виртуальные функции и аргументы по умолчанию

Подобно любой другой функции, виртуальная функция может иметь аргументы по умолчанию (см. раздел 6.5.1). Если вызов использует аргумент по умолчанию, то используемое значение определяется статическим типом, для которого вызвана функция.

Таким образом, при вызове через ссылку или указатель на базовый класс аргумент (аргументы) по умолчанию будет определен в базовом классе. Аргументы базового класса будут использоваться даже тогда, когда выполняется версия функции производного класса. В данном случае функции производного класса будут переданы аргументы по умолчанию, определенные для версии функции базового класса. Если функция производного класса будет полагаться на передачу других аргументов, то программа не будет выполняться, как ожидалось.

Виртуальные функции с аргументами по умолчанию должны использовать те же значения аргументов в базовом и производных классах.

Хитрость виртуального механизма

В некоторых случаях необходимо предотвратить динамическое связывание вызова виртуальной функции; нужно вынудить вызов использовать конкретную версию этой виртуальной функции. Для этого используется оператор области видимости. Рассмотрим, например, этот код:

// вызов версии базового класса независимо от динамического типа baseP

double undiscounted = baseP->Quote::net_price(42);

Здесь происходит вызов версии функции net_price() класса Quote независимо от типа объекта, на который фактически указывает baseP. Этот вызов будет распознан во время компиляции.

Обычно только код функций-членов (или друзей) должен использовать оператор области видимости для обхода виртуального механизма.

Зачем обходить виртуальный механизм? Наиболее распространен случай, когда виртуальная функция производного класса вызывает версию базового класса. В таких случаях версия базового класса могла бы выполнять действия, общие для всей иерархии типов. Версии, определенные в производных классах, осуществляли бы любые дополнительные действия, специфичные для их собственного типа.

Если виртуальная функция производного класса, намереваясь вызвать свою версию из базового класса, пропустит оператор области видимости, то вызов будет распознан во время выполнения как вызов самой версии производного класса, что приведет к бесконечной рекурсии.

Упражнения раздела 15.3

Упражнение 15.11. Добавьте в иерархию класса Quote виртуальную функцию debug(), отображающую переменные-члены соответствующих классов.

Упражнение 15.12. Возможен ли случай, когда полезно объявить функцию-член и как override, и как final? Объясните, почему.

Упражнение 15.13. С учетом следующих классов объясните каждую из функций print():

class base {

public:

 string name() { return basename; }

 virtual void print(ostream &os) { os << basename; }

private:

 string basename;

};

class derived : public base {

public:

 void print(ostream &os) { print(os); os << " " << i; }

private:

 int i;

};

Если в этом коде имеются ошибки, устраните их.

Упражнение 15.14. С учетом классов из предыдущего упражнения и следующих объектов укажите, какие из версий функций будут применены во время выполнения:

base bobj;    base *bp1 = &bobj; base &br1 = bobj;

derived dobj; base *bp2 = &dobj; base &br2 = dobj;

(a) bobj.print(); (b) dobj.print(); (c) bp1->name();

(d) bp2->name();  (e) br1.print();  (f) br2.print();