C++ virtual member function FAQ

  【1】 虛成員函數和非虛成員函數調用方式有什麽不同?
   非虛成員函數是靜態確定的。也就是說,該成員函數(在編譯時)被靜態地選擇,該選擇基于指向對象的指針(或引用)的類型。 相比而言,虛成員函數是動態確定的(在運行時)。也就是說,成員函數(在運行時)被動態地選擇,該選擇基于對象的類型,而不是指向該對象的指針/引用的類型。這被稱作“動態綁定/動態聯編”。大多數的編譯器使用以下的一些的技術,也就是所謂的“VTABLE”機制:
   編譯器發現一個類中有被聲明爲virtual的函數,就會爲其搞一個虛函數表,也就是VTABLE。VTABLE實際上是一個函數指針的數組,每個虛函數占用這個數組的一個slot。一個類只有一個VTABLE,不管它有多少個實例。派生類有自己的VTABLE,但是派生類的VTABLE與基類的VTABLE有相同的函數排列順序,同名的虛函數被放在兩個數組的相同位置上。在創建類實例的時候,編譯器還會在每個實例的內存布局中增加一個vfptr字段,該字段指向本類的VTABLE。通過這些手段,編譯器在看到一個虛函數調用的時候,就會將這個調用改寫,在分發一個虛函數時,運行時系統跟隨對象的 v-pointer找到類的 v-table,然後跟隨v-table中適當的項找到方法的代碼。
   以上技術的空間開銷是存在的:每個對象一個額外的指針(僅僅對于需要動態綁定的對象),加上每個方法一個額外的指針(僅僅對于虛方法)。時間開銷也是有的:和普通函數調用比較,虛函數調用需要兩個額外的步驟(得到v-pointer的值,得到方法的地址)。由于編譯器在編譯時就通過指針類型解決了非虛函數的調用,所以這些開銷不會發生在非虛函數上。
  【2】 析構函數也可以是虛的,甚至是純虛的,但是構造函數不能是虛的
   純虛的析構函數並沒有什麽作用,是虛的就夠了。通常只有在希望將一個類變成抽象類(不能實例化的類),而這個類又沒有合適的函數可以被純虛化的時候,可以使用純虛的析構函數來達到目的。構造函數不能是虛的(爲什麽?因爲在一個構造函數調用期間,虛機制並不工作),但是你可以可能通過虛函數 virtual clone()(對于拷貝構造函數)或虛函數 virtual create()(對于默認構造函數),得到虛構造函數産生的效果。如下:
  class Shape {
  public:
   virtual ~Shape() { } // 虛析構函數
   virtual void draw() = 0; // 純虛函數
   virtual void move() = 0;
   // ...
   virtual Shape* clone() const = 0; // 使用拷貝構造函數
   virtual Shape* create() const = 0; // 使用默認構造函數
  };
  class Circle : public Shape {
  public:
   Circle* clone() const { return new Circle(*this); }
   Circle* create() const { return new Circle(); }
   // ...
  };
   在 clone() 成員函數中,代碼 new Circle(*this) 調用 Circle 的拷貝構造函數來複制this的狀態到新創建的Circle對象。在 create()成員函數中,代碼 new Circle() 調用Circle的默認構造函數。
  用戶將它們看作“虛構造函數”來使用它們:
  void userCode(Shape& s)
  {
   Shape* s2 = s.clone();
   Shape* s3 = s.create();
   // ...
   delete s2; // 在此處,你可能需要虛析構函數
   delete s3;
  }
   這個函數將正確工作,而不管 Shape 是一個Circle,Square,或是其他種類的 Shape,甚至它們還並不存在。
  
   【3】 構造函數和析構函數中的虛函數調用
   一個類的虛函數在它自己的構造函數和析構函數中被調用的時候,它們就變成普通函數了,不“虛”了。也就是說不能在構造函數和析構函數中讓自己“多態”。例如:
  class A
  {
  public:
   A() { foo();} // 在這裏,無論如何都是A::foo()被調用!
   ~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的時候,會導致B::foo()被調用,那麽你就錯了。同樣,在new B的時候,A的構造函數被調用,但是在A的構造函數中,被調用的是A::foo()而不是B::foo()。爲什麽會有這樣的規定呢,原因如下:
   當基類被構造時,對象還不是一個派生類的對象,所以假如 Base::Base()調用了虛函數 virt(),則 Base::virt() 將被調用,即使 Derived::virt()(派生類重寫該虛函數)存在。
   同樣,當基類被析構時,對象已經不再是一個派生類對象了,所以假如 Base::~Base()調用了virt(),則 Base::virt()得到控制權,而不是重寫的 Derived::virt() 。
   當你可以想象到假如 Derived::virt() 涉及到派生類的某個成員對象將造成的災難的時候,你很快就能看到這種方法的明智。具體來說,假如 Base::Base()調用了虛函數 virt(),這個規則使得 Base::virt()被調用。假如不按照這個規則,Derived::virt()將在派生對象的派生部分被構造之前被調用,此時屬于派生對象的派生部分的某個成員對象還沒有被構造,而 Derived::virt()卻能夠訪問它。這將是災難。
  【4】私有private的虛函數是否具有多態性?
   考慮下面的例子:
  class A
  {
  public:
   void foo() { bar();}
  private:
   virtual void bar() { ...}
  };
  class B: public A
  {
  private:
   virtual void bar() { ...}
  };
   在這個例子中,雖然bar()在A類中是private的,但是仍然可以出現在派生類中,並仍然可以與public或者protected的虛函數一樣産生多態的效果。並不會因爲它是private的,就發生A::foo()不能訪問B::bar()的情況,也不會發生B::bar()對A::bar()的override不起作用的情況。
   這種寫法的語意是:A告訴B,你最好override我的bar()函數,但是你不要管它如何使用,也不要自己調用這個函數。