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C++中確定基類有虛析構(gòu)函數(shù)

[摘要]有時,一個類想跟蹤它有多少個對象存在。一個簡單的方法是創(chuàng)建一個靜態(tài)類成員來統(tǒng)計對象的個數(shù)。這個成員被初始化為0,在構(gòu)造函數(shù)里加1,析構(gòu)函數(shù)里減1。(條款m26里說明了如何把這種方法封裝起來以便很容易地添加到任何類中,“my article on counting objects”提供了對這個技術(shù)的...
    有時,一個類想跟蹤它有多少個對象存在。一個簡單的方法是創(chuàng)建一個靜態(tài)類成員來統(tǒng)計對象的個數(shù)。這個成員被初始化為0,在構(gòu)造函數(shù)里加1,析構(gòu)函數(shù)里減1。(條款m26里說明了如何把這種方法封裝起來以便很容易地添加到任何類中,“my article on counting objects”提供了對這個技術(shù)的另外一些改進)

設(shè)想在一個軍事應(yīng)用程序里,有一個表示敵人目標(biāo)的類:

class enemytarget {
public:
  enemytarget() { ++numtargets; }
  enemytarget(const enemytarget&) { ++numtargets; }
  ~enemytarget() { --numtargets; }

  static size_t numberoftargets()
  { return numtargets; }

  virtual bool destroy();       // 摧毀enemytarget對象后
                                // 返回成功

private:
  static size_t numtargets;     // 對象計數(shù)器
};

// 類的靜態(tài)成員要在類外定義;
// 缺省初始化為0
size_t enemytarget::numtargets;

這個類不會為你贏得一份政府防御合同,它離國防部的要求相差太遠了,但它足以滿足我們這兒說明問題的需要。

敵人的坦克是一種特殊的敵人目標(biāo),所以會很自然地想到將它抽象為一個以公有繼承方式從enemytarget派生出來的類(參見條款35及m33)。因為不但要關(guān)心敵人目標(biāo)的總數(shù),也要關(guān)心敵人坦克的總數(shù),所以和基類一樣,在派生類里也采用了上面提到的同樣的技巧:

class enemytank: public enemytarget {
public:
  enemytank() { ++numtanks; }

  enemytank(const enemytank& rhs)
  : enemytarget(rhs)
  { ++numtanks; }

  ~enemytank() { --numtanks; }

  static size_t numberoftanks()
  { return numtanks; }

  virtual bool destroy();

private:
  static size_t numtanks;         // 坦克對象計數(shù)器
};

(寫完以上兩個類的代碼后,你就更能夠理解條款m26對這個問題的通用解決方案了。)

最后,假設(shè)程序的其他某處用new動態(tài)創(chuàng)建了一個enemytank對象,然后用delete刪除掉:

enemytarget *targetptr = new enemytank;

...

delete targetptr;

到此為止所做的一切好象都很正常:兩個類在析構(gòu)函數(shù)里都對構(gòu)造函數(shù)所做的操作進行了清除;應(yīng)用程序也顯然沒有錯誤,用new生成的對象在最后也用delete刪除了。然而這里卻有很大的問題。程序的行為是不可預(yù)測的——無法知道將會發(fā)生什么。

c++語言標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于這個問題的闡述非常清楚:當(dāng)通過基類的指針去刪除派生類的對象,而基類又沒有虛析構(gòu)函數(shù)時,結(jié)果將是不可確定的。這意味著編譯器生成的代碼將會做任何它喜歡的事:重新格式化你的硬盤,給你的老板發(fā)電子郵件,把你的程序源代碼傳真給你的對手,無論什么事都可能發(fā)生。(實際運行時經(jīng)常發(fā)生的是,派生類的析構(gòu)函數(shù)永遠不會被調(diào)用。在本例中,這意味著當(dāng)targetptr 刪除時,enemytank的數(shù)量值不會改變,那么,敵人坦克的數(shù)量就是錯的,這對需要高度依賴精確信息的部隊來說,會造成什么后果?)

為了避免這個問題,只需要使enemytarget的析構(gòu)函數(shù)為virtual。聲明析構(gòu)函數(shù)為虛就會帶來你所希望的運行良好的行為:對象內(nèi)存釋放時,enemytank和enemytarget的析構(gòu)函數(shù)都會被調(diào)用。

和絕大部分基類一樣,現(xiàn)在enemytarget類包含一個虛函數(shù)。虛函數(shù)的目的是讓派生類去定制自己的行為(見條款36),所以幾乎所有的基類都包含虛函數(shù)。

如果某個類不包含虛函數(shù),那一般是表示它將不作為一個基類來使用。當(dāng)一個類不準(zhǔn)備作為基類使用時,使析構(gòu)函數(shù)為虛一般是個壞主意。請看下面的例子,這個例子基于arm(“the annotated c++ reference manual”)一書的一個專題討論。

// 一個表示2d點的類
class point {
public:
  point(short int xcoord, short int ycoord);
  ~point();

private:
  short int x, y;
};

如果一個short int占16位,一個point對象將剛好適合放進一個32位的寄存器中。另外,一個point對象可以作為一個32位的數(shù)據(jù)傳給用c或fortran等其他語言寫的函數(shù)中。但如果point的析構(gòu)函數(shù)為虛,情況就會改變。

實現(xiàn)虛函數(shù)需要對象附帶一些額外信息,以使對象在運行時可以確定該調(diào)用哪個虛函數(shù)。對大多數(shù)編譯器來說,這個額外信息的具體形式是一個稱為vptr(虛函數(shù)表指針)的指針。vptr指向的是一個稱為vtbl(虛函數(shù)表)的函數(shù)指針數(shù)組。每個有虛函數(shù)的類都附帶有一個vtbl。當(dāng)對一個對象的某個虛函數(shù)進行請求調(diào)用時,實際被調(diào)用的函數(shù)是根據(jù)指向vtbl的vptr在vtbl里找到相應(yīng)的函數(shù)指針來確定的。

虛函數(shù)實現(xiàn)的細節(jié)不重要(當(dāng)然,如果你感興趣,可以閱讀條款m24),重要的是,如果point類包含一個虛函數(shù),它的對象的體積將不知不覺地翻番,從2個16位的short變成了2個16位的short加上一個32位的vptr!point對象再也不能放到一個32位寄存器中去了。而且,c++中的point對象看起來再也不具有和其他語言如c中聲明的那樣相同的結(jié)構(gòu)了,因為這些語言里沒有vptr。所以,用其他語言寫的函數(shù)來傳遞point也不再可能了,除非專門去為它們設(shè)計vptr,而這本身是實現(xiàn)的細節(jié),會導(dǎo)致代碼無法移植。

所以基本的一條是,無故的聲明虛析構(gòu)函數(shù)和永遠不去聲明一樣是錯誤的。實際上,很多人這樣總結(jié):當(dāng)且僅當(dāng)類里包含至少一個虛函數(shù)的時候才去聲明虛析構(gòu)函數(shù)。

這是一個很好的準(zhǔn)則,大多數(shù)情況都適用。但不幸的是,當(dāng)類里沒有虛函數(shù)的時候,也會帶來非虛析構(gòu)函數(shù)問題。 例如,條款13里有個實現(xiàn)用戶自定義數(shù)組下標(biāo)上下限的類模板。假設(shè)你(不顧條款m33的建議)決定寫一個派生類模板來表示某種可以命名的數(shù)組(即每個數(shù)組有一個名字)。

template<class t>                // 基類模板
class array {                    // (來自條款13)
public:
  array(int lowbound, int highbound);
  ~array();

private:
  vector<t> data;
  size_t size;
  int lbound, hbound;
};

template<class t>
class namedarray: public array<t> {
public:
  namedarray(int lowbound, int highbound, const string& name);
  ...

private:
  string arrayname;
};

如果在應(yīng)用程序的某個地方你將指向namedarray類型的指針轉(zhuǎn)換成了array類型的指針,然后用delete來刪除array指針,那你就會立即掉進“不確定行為”的陷阱中。

namedarray<int> *pna =
  new namedarray<int>(10, 20, "impending doom");

array<int> *pa;

...


pa = pna;                // namedarray<int>* -> array<int>*

...

delete pa;               // 不確定! 實際中,pa->arrayname
                         // 會造成泄漏,因為*pa的namedarray
                         // 永遠不會被刪除


現(xiàn)實中,這種情形出現(xiàn)得比你想象的要頻繁。讓一個現(xiàn)有的類做些什么事,然后從它派生一個類做和它相同的事,再加上一些特殊的功能,這在現(xiàn)實中不是不常見。namedarray沒有重定義array的任何行為——它繼承了array的所有功能而沒有進行任何修改——它只是增加了一些額外的功能。但非虛析構(gòu)函數(shù)的問題依然存在(還有其他問題,參見m33)

最后,值得指出的是,在某些類里聲明純虛析構(gòu)函數(shù)很方便。純虛函數(shù)將產(chǎn)生抽象類——不能實例化的類(即不能創(chuàng)建此類型的對象)。有些時候,你想使一個類成為抽象類,但剛好又沒有任何純虛函數(shù)。怎么辦?因為抽象類是準(zhǔn)備被用做基類的,基類必須要有一個虛析構(gòu)函數(shù),純虛函數(shù)會產(chǎn)生抽象類,所以方法很簡單:在想要成為抽象類的類里聲明一個純虛析構(gòu)函數(shù)。

這里是一個例子:

class awov {                // awov = "abstract w/o
                            // virtuals"
public:
  virtual ~awov() = 0;      // 聲明一個純虛析構(gòu)函數(shù)
                            
};

這個類有一個純虛函數(shù),所以它是抽象的,而且它有一個虛析構(gòu)函數(shù),所以不會產(chǎn)生析構(gòu)函數(shù)問題。但這里還有一件事:必須提供純虛析構(gòu)函數(shù)的定義:

awov::~awov() {}           // 純虛析構(gòu)函數(shù)的定義

這個定義是必需的,因為虛析構(gòu)函數(shù)工作的方式是:最底層的派生類的析構(gòu)函數(shù)最先被調(diào)用,然后各個基類的析構(gòu)函數(shù)被調(diào)用。這就是說,即使是抽象類,編譯器也要產(chǎn)生對~awov的調(diào)用,所以要保證為它提供函數(shù)體。如果不這么做,鏈接器就會檢測出來,最后還是得回去把它添上。

可以在函數(shù)里做任何事,但正如上面的例子一樣,什么事都不做也不是不常見。如果是這種情況,那很自然地會想到將析構(gòu)函數(shù)聲明為內(nèi)聯(lián)函數(shù),從而避免對一個空函數(shù)的調(diào)用所產(chǎn)生的開銷。這是一個很好的方法,但有一件事要清楚。

因為析構(gòu)函數(shù)為虛,它的地址必須進入到類的vtbl(見條款m24)。但內(nèi)聯(lián)函數(shù)不是作為獨立的函數(shù)存在的(這就是“內(nèi)聯(lián)”的意思),所以必須用特殊的方法得到它們的地址。條款33對此做了全面的介紹,其基本點是:如果聲明虛析構(gòu)函數(shù)為inline,將會避免調(diào)用它們時產(chǎn)生的開銷,但編譯器還是必然會在什么地方產(chǎn)生一個此函數(shù)的拷貝。

構(gòu)造函數(shù)是用初始化類能者對象的,是不允許用虛函數(shù)的。




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