C++ virtual member function FAQ

  【1】 虚成员函数和非虚成员函数调用方式有什么不同?
   非虚成员函数是静态确定的。也就是说,该成员函数(在编译时)被静态地选择,该选择基于指向对象的指针(或引用)的类型。 相比而言,虚成员函数是动态确定的(在运行时)。也就是说,成员函数(在运行时)被动态地选择,该选择基于对象的类型,而不是指向该对象的指针/引用的类型。这被称作“动态绑定/动态联编”。大多数的编译器使用以下的一些的技术,也就是所谓的“VTABLE”机制:
   编译器发现一个类中有被声明为virtual的函数,就会为其搞一个虚函数表,也就是VTABLE。VTABLE实际上是一个函数指针的数组,每个虚函数占用这个数组的一个slot。一个类只有一个VTABLE,不管它有多少个实例。派生类有自己的VTABLE,但是派生类的VTABLE与基类的VTABLE有相同的函数排列顺序,同名的虚函数被放在两个数组的相同位置上。在创建类实例的时候,编译器还会在每个实例的内存布局中增加一个vfptr字段,该字段指向本类的VTABLE。通过这些手段,编译器在看到一个虚函数调用的时候,就会将这个调用改写,在分发一个虚函数时,运行时系统跟随对象的 v-pointer找到类的 v-table,然后跟随v-table中适当的项找到方法的代码。
   以上技术的空间开销是存在的:每个对象一个额外的指针(仅仅对于需要动态绑定的对象),加上每个方法一个额外的指针(仅仅对于虚方法)。时间开销也是有的:和普通函数调用比较,虚函数调用需要两个额外的步骤(得到v-pointer的值,得到方法的地址)。由于编译器在编译时就通过指针类型解决了非虚函数的调用,所以这些开销不会发生在非虚函数上。
  【2】 析构函数也可以是虚的,甚至是纯虚的,但是构造函数不能是虚的
   纯虚的析构函数并没有什么作用,是虚的就够了。通常只有在希望将一个类变成抽象类(不能实例化的类),而这个类又没有合适的函数可以被纯虚化的时候,可以使用纯虚的析构函数来达到目的。构造函数不能是虚的(为什么?因为在一个构造函数调用期间,虚机制并不工作),但是你可以可能通过虚函数 virtual clone()(对于拷贝构造函数)或虚函数 virtual create()(对于默认构造函数),得到虚构造函数产生的效果。如下:
  class Shape {
  public:
   virtual ~Shape() { } // 虚析构函数
   virtual void draw() = 0; // 纯虚函数
   virtual void move() = 0;
   // ...
   virtual Shape* clone() const = 0; // 使用拷贝构造函数
   virtual Shape* create() const = 0; // 使用默认构造函数
  };
  class Circle : public Shape {
  public:
   Circle* clone() const { return new Circle(*this); }
   Circle* create() const { return new Circle(); }
   // ...
  };
   在 clone() 成员函数中,代码 new Circle(*this) 调用 Circle 的拷贝构造函数来复制this的状态到新创建的Circle对象。在 create()成员函数中,代码 new Circle() 调用Circle的默认构造函数。
  用户将它们看作“虚构造函数”来使用它们:
  void userCode(Shape& s)
  {
   Shape* s2 = s.clone();
   Shape* s3 = s.create();
   // ...
   delete s2; // 在此处,你可能需要虚析构函数
   delete s3;
  }
   这个函数将正确工作,而不管 Shape 是一个Circle,Square,或是其他种类的 Shape,甚至它们还并不存在。
  
   【3】 构造函数和析构函数中的虚函数调用
   一个类的虚函数在它自己的构造函数和析构函数中被调用的时候,它们就变成普通函数了,不“虚”了。也就是说不能在构造函数和析构函数中让自己“多态”。例如:
  class A
  {
  public:
   A() { foo();} // 在这里,无论如何都是A::foo()被调用!
   ~A() { foo();} // 同上
   virtual void foo();
  };
  class B: public A
  {
  public:
   virtual void foo();
  };
  void bar()
  {
   A * a = new B;
   delete a;
  }
   假如你希望delete a的时候,会导致B::foo()被调用,那么你就错了。同样,在new B的时候,A的构造函数被调用,但是在A的构造函数中,被调用的是A::foo()而不是B::foo()。为什么会有这样的规定呢,原因如下:
   当基类被构造时,对象还不是一个派生类的对象,所以假如 Base::Base()调用了虚函数 virt(),则 Base::virt() 将被调用,即使 Derived::virt()(派生类重写该虚函数)存在。
   同样,当基类被析构时,对象已经不再是一个派生类对象了,所以假如 Base::~Base()调用了virt(),则 Base::virt()得到控制权,而不是重写的 Derived::virt() 。
   当你可以想象到假如 Derived::virt() 涉及到派生类的某个成员对象将造成的灾难的时候,你很快就能看到这种方法的明智。具体来说,假如 Base::Base()调用了虚函数 virt(),这个规则使得 Base::virt()被调用。假如不按照这个规则,Derived::virt()将在派生对象的派生部分被构造之前被调用,此时属于派生对象的派生部分的某个成员对象还没有被构造,而 Derived::virt()却能够访问它。这将是灾难。
  【4】私有private的虚函数是否具有多态性?
   考虑下面的例子:
  class A
  {
  public:
   void foo() { bar();}
  private:
   virtual void bar() { ...}
  };
  class B: public A
  {
  private:
   virtual void bar() { ...}
  };
   在这个例子中,虽然bar()在A类中是private的,但是仍然可以出现在派生类中,并仍然可以与public或者protected的虚函数一样产生多态的效果。并不会因为它是private的,就发生A::foo()不能访问B::bar()的情况,也不会发生B::bar()对A::bar()的override不起作用的情况。
   这种写法的语意是:A告诉B,你最好override我的bar()函数,但是你不要管它如何使用,也不要自己调用这个函数。