?? 本期博客，我們來介紹C++中的虛函數，并給出一些實際操作的建議。?

什么是虛函數？

虛函數是基類中聲明的成員函數，且使用者期望在派生類中將其重新定義。那么，在?C++ 中，什么是虛函數呢？在?C++ 中，通常將虛函數用于實現運行時多態，該特性由 C++ 提供，適用于面向對象編程。我們將在下文更為詳細地討論運行時多態。不論函數調用所使用的指針或引用類型如何，虛函數最為重要的工作是確保函數調用正確。

1虛函數的使用規則

C++?虛函數必須遵循幾個關鍵規則：

在基類中使用?virtual?關鍵詞來聲明函數

虛函數不能為靜態函數

為實現運行時多態，應使用指針或引用來訪問虛擬函數

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

如果基類中含有虛函數，則應該使用虛擬析構函數，防止析構函數調用錯誤

2 用 C++ 運行虛函數的示例

虛函數在?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。但是我們仍然希望存在一個 make_sound 函數，這樣，我們就能在不知道 pet 類型的情況下，在 pet 上調用 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 make_sound，用 =0 來將其表示為由派生類實現的純虛函數。 然后，再由 Dog 和 Cat 來真正實現該函數。實現函數期間，我們添加關鍵詞 override，這樣，編譯器就能確保函數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，根據實際存在的對象，實現所需函數。 我們必須要強調，這是一個非常簡單的示例。我們也有其他解決方案應對這一簡單示例（例如，為 pet’s sound 持有數據成員，并避免使用虛函數）。但我們想要展示虛函數的實現過程，因此不對其他解決方案進行額外展示。通常情況下，會使用虛函數為派生類中的不同行為建模，而相應行為不能用簡單數據成員來建模。 ?


3 協變式返回類型


我們提到過，若要實現虛函數，派生類函數的簽名必須與基類中的簽名相匹配。唯一允許的區別是在返回類型上，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 創建函數僅能知道它可以返回 Pet*，但使用協變式返回類型，DogFactory 和 CatFactory 則能知道更為具體的內容，這種虛函數的實現方式仍然行之有效。??

在 C++ 中使用虛函數的優點

現在，如果您已經花費時間研究過 C++，可能會注意到，不需要由虛函數來重新定義派生類中的基函數。但存在這樣的巨大區別，使得虛函數不可或缺：虛函數覆寫基類函數，從而實現運行時多態。從本質上講，多態指一個函數或對象以不同方式執行的能力，具體情況視使用方式而定。這屬于面向對象編程的關鍵特性——結合其他眾多特性，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

這是貫穿所有多態程序的主要優點：根據運行時已知的調用對象，通過允許以不同方式執行函數調用，能使程序更為靈活而通用。如此一來，運行時多態便能從真正意義上使您的代碼反映現實——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行。 ?


2 代碼可復用

通過使用虛函數，我們可以將只應實現一次的通用操作和不同子類中可能有所不同的具體細節區分開來。試想以下示例：如果我們希望實現 prism 類層次結構，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基面積計算，從而在基類中實現體積函數。實現代碼如下：

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 契約式設計

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


虛函數的局限性

虛函數功能極為強大，但它們并非毫無缺點。開始使用虛函數前，您應該注意以下事項：

1 性能

無論是在運行時性能還是在內存方面，虛函數成本都要比普通函數高。

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

函數的運行時性能成本不是一次跳轉而是兩次跳轉，或者如果可以內聯函數，性能成本就是兩次跳轉而不是零次跳轉。虛函數需要跳轉到虛函數表，再跳轉到函數本身。這種額外跳轉增加了 CPU 指令緩存中指令未準備就緒的概率，因此，這兩次跳轉并非唯一成本。

最后，如果您需要實現多態，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添加到類中，通常需要考慮額外成本。

2設計問題

繼承，特別是虛函數，會引起設計問題。繼承層次結構設計糟糕可能會導致類膨脹和類之間關系異常。

從構造函數和析構函數調用虛函數的規則也會影響您的設計。從構造函數和析構函數調用的任何虛函數都不是多態函數，這樣一來，有時需要將操作從構造函數轉移到 init 虛擬函數。

為避免糟糕設計，應切記繼承和多態并非是應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“，深入了解相關內容。

3 調試，容易出錯

諷刺的是，虛函數面臨的挑戰之一是缺乏彈性。

由于需要遵循調用流程，調試虛函數調用可能會變得稍顯混亂。一般來說，遵循函數調用并不十分困難，但根據對象類型，在遵循隱藏調度方面，仍然需要進行額外工作。調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，不應調用虛函數的基類實現；而在某些情況下，應在開始時調用，有時也在結束時調用。由于忘記調用基類實現，或是在錯誤的地方、不需要的時候調用，使用虛函數極其容易出錯。

可將其視為契約式設計工具。


虛函數的替代方案

1 僅使用數據成員


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

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。您可以點擊此處和此處閱讀更多關于該方案的信息。 ?


3 函數式編程

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

4 靜態多態


靜態多態是一種基于模板的方法，用于獲取多態動態，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。基于模板的靜態多態可以實現更佳性能。 一些替代技術可能會導致項目編譯時間變長。我們認為，特別是當您使用 Incredibuild 來加速構建時，這不會影響您的決策設計。首先選擇合適的設計方案，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

如果您想在不嚴重拖累編譯速度和構建進程的情況下，從虛擬函數中受益，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絡上分配編譯任務，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建系統無縫集成，包括 Visual Studio、Qt Creator 和 Clang。 如此一來，虛函數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。 首先選擇合適的設計方案，然后使用正確工具來縮減編譯時間即可。

總 結

?1. 什么是 C++ 的虛函數？

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

2. 虛函數存在哪些問題？

在運行時性能和內存使用方面，相比于普通函數，虛擬函數會造成更多影響。此外，虛擬函數會產生基于繼承層次結構的設計問題，導致類膨脹和關系異常。最后，虛擬函數由于存在函數調用問題，往往難以進行調試。由于調用順序的不可預測性，使用虛擬函數更容易引發錯誤。

3. 在 C++ 中，虛函數有何替代方案？

是的，為了實現更好的設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，您應將其視為工具包內的一項工具，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多態，切勿讓較長的編譯時間影響您的設計方案。確保選用合適的工具來加速構建進程，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的驚人效果。
　　

審核編輯：湯梓紅