Программирование. Принципы и практика использования C++ Исправленное издание

Страуструп Бьерн

Для того чтобы обработать вызов виртуальной функции, нам нужна еще одна порция данных в объекте класса

Shape

: информация о том, какая функция будет на самом деле вызываться при обращении к функции

draw_lines

из класса

Shape

. Для этого обычно в таблицу функций заносится ее адрес. Эта таблица обычно называется

vtbl

(таблица виртуальных функций), а ее адрес часто имеет имя

vptr

(виртуальный указатель). Указатели обсуждаются в главах 17-18; здесь они действуют как ссылки. В конкретных реализациях

языка таблица виртуальных функций и виртуальный показатель могут называться иначе. Добавив таблицу

vptr

и указатели

vtbl

к нашему рисунку, получим следующую диаграмму.

Поскольку функция

draw_lines

— первая виртуальная функция, она занимает первую ячейку в таблице

vtbl

, за ней следует функция

move

, вторая виртуальная функция. Класс может иметь сколько угодно виртуальных функций; его таблица

vtbl

может быть сколь угодно большой (по одной ячейке на каждую виртуальную функцию). Теперь, когда мы вызовем функцию

x.draw_lines

, компилятор сгенерирует вызов функции, найденной в ячейке

draw_lines

таблицы

vtbl

, соответствующей объекту

x

. В принципе код просто следует по стрелкам на диаграмме.

Итак, если объект

x

относится к классу

Circle

, будет вызвана функция

Circle::draw_lines

. Если объект

x

относится к типу, скажем,

Open_polyline

, который использует таблицу

vtbl

точно в том виде, в каком ее определил класс

Shape

, то будет вызвана функция

Shape::draw_lines

. Аналогично, поскольку в классе

Circle

не определена его собственная функция

move

, при вызове

x.move

будет выполнена функция

Shape::move

, если объект

x

относится к классу

Circle

. В принципе код, сгенерированный для вызова виртуальной функции, может просто найти указатель

vptr

и использовать его для поиска соответствующей таблицы

vtbl

и вызова нужной функции оттуда. Для этого понадобятся два обращения к памяти и обычный вызов функции, — быстро и просто.

Класс

Shape

является абстрактным, поэтому мы не можем на самом деле непосредственно создать объект класса

Shape

, но класс

Open_polyline

имеет точно такую же простую структуру, поскольку не добавляет никаких данных-членов и не определяет виртуальную функцию. Таблица виртуальных функций

vtbl

определяется для каждого класса, в котором определена виртуальная функция, а не для каждого объекта, поэтому таблицы

vtbl

незначительно увеличивают размер программы.

Обратите внимание на то, что на рисунке мы не изобразили ни одной невиртуальной функции. В этом не было необходимости, поскольку об этих функциях мы не можем сказать что-то особенное и они не увеличивают размеры объектов своего класса. Определение функции, имеющей то же имя и те же типы аргументов, что и виртуальная функция из базового класса (например,

Circle::draw_lines

), при котором функция из производного класса записывается в таблицу

vtbl

вместо соответствующей функции из базового класса, называется замещением (overriding). Например, функция

Circle::draw_lines

замещает функцию

Shape::draw_lines

.

Почему

мы говорим о таблицах

vtbl

и схемах размещения в памяти? Нужна ли нам эта информация, чтобы использовать объектно-ориентированное программирование? Нет. Однако многие люди очень хотят знать, как устроены те или иные механизмы (мы относимся к их числу), а когда люди чего-то не знают, возникают мифы. Мы встречали людей, которые боялись использовать виртуальные функции, “потому что они повышают затраты”. Почему? Насколько? По сравнению с чем? Как оценить эти затраты? Мы объяснили модель реализации виртуальных функций, чтобы вы их не боялись. Если вам нужно вызвать виртуальную функцию (для выбора одной из нескольких альтернатив в ходе выполнения программы), то вы не сможете запрограммировать эту функциональную возможность с помощью другого языкового механизма, который работал бы быстрее или использовал меньше памяти, чем механизм виртуальных функций. Можете сами в этом убедиться.

14.3.2. Вывод классов и определение виртуальных функций

Мы указываем, что класс является производным, упоминая базовый класс перед его именем. Рассмотрим пример.

struct Circle:Shape { /* ... */ };

По умолчанию члены структуры, объявляемой с помощью ключевого слова

struct

, являются открытыми (см. раздел 9.3) и наследуют открытые члены класса. Можно было бы написать эквивалентный код следующим образом:

class Circle : public Shape { public: /* ... */ };

Эти два объявления класса

Circle

совершенно эквивалентны, но вы можете провести множество долгих и бессмысленных споров о том, какой из них лучше. Мы считаем, что время, которое можно затратить на эти споры, лучше посвятить другим темам.

Не забудьте указать слово

public

, когда захотите объявить открытые члены класса. Рассмотрим пример.

class Circle : Shape { public: /* ... */ }; // возможно, ошибка

В этом случае класс

Shape

считается закрытым базовым классом для класса

Circle

, а открытые функции-члены класса

Shape

становятся недоступными для класса

Circle

. Вряд ли вы стремились к этому. Хороший компилятор предупредит вас о возможной ошибке. Закрытые базовые классы используются, но их описание выходит за рамки нашей книги.

Виртуальная функция должны объявляться с помощью ключевого слова

virtual

в объявлении своего класса, но если вы разместили определение функции за пределами класса, то ключевое слово

virtual

указывать не надо.

struct Shape {

// ...

virtual void draw_lines const;

virtual void move;

// ...

};

virtual void Shape::draw_lines const { /* ... */ } // ошибка

void Shape::move { /* ... */ } // OK

14.3.3. Замещение

Если вы хотите заместить виртуальную функцию, то должны использовать точно такое же имя и типы аргументов, как и в базовом классе. Рассмотрим пример.