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C++中確定基類有虛析構函數

編輯:C++入門知識

   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建一個靜態類成員來統計對象的個數。這個成員被初始化為0,在構造函數裡加1,析構函數裡減1。(條款m26裡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”提供了對這個技術的另外一些改進)

設想在一個軍事應用程序裡,有一個表示敵人目標的類:

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

  static size_t numberoftargets()
  { return numtargets; }

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

private:
  static size_t numtargets;     // 對象計數器
};

// 類的靜態成員要在類外定義;
// 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,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)。因為不但要關心敵人目標的總數,也要關心敵人坦克的總數,所以和基類一樣,在派生類裡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;         // 坦克對象計數器
};

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

最後,假設程序的其他某處用new動態創建了一個enemytank對象,然後用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:兩個類在析構函數裡都對構造函數所做的操作進行了清除;應用程序也顯然沒有錯誤,用new生成的對象在最後也用delete刪除了。然而這裡卻有很大的問題。程序的行為是不可預測的——無法知道將會發生什麼。

c++語言標准關於這個問題的闡述非常清楚:當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函數時,結果將是不可確定的。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,給你的老板發電子郵件,把你的程序源代碼傳真給你的對手,無論什麼事都可能發生。(實際運行時經常發生的是,派生類的析構函數永遠不會被調用。在本例中,這意味著當targetptr 刪除時,enemytank的數量值不會改變,那麼,敵人坦克的數量就是錯的,這對需要高度依賴精確信息的部隊來說,會造成什麼後果?)

為了避免這個問題,只需要使enemytarget的析構函數為virtual。聲明析構函數為虛就會帶來你所希望的運行良好的行為:對象內存釋放時,enemytank和enemytarget的析構函數都會被調用。

和絕大部分基類一樣,現在enemytarget類包含一個虛函數。虛函數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。

如果某個類不包含虛函數,那一般是表示它將不作為一個基類來使用。當一個類不准備作為基類使用時,使析構函數為虛一般是個壞主意。請看下面的例子,這個例子基於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位的數據傳給用c或fortran等其他語言寫的函數中。但如果point的析構函數為虛,情況就會改變。

實現虛函數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用哪個虛函數。對大多數編譯器來說,這個額外信息的具體形式是一個稱為vptr(虛函數表指針)的指針。vptr指向的是一個稱為vtbl(虛函數表)的函數指針數組。每個有虛函數的類都附帶有一個vtbl。當對一個對象的某個虛函數進行請求調用時,實際被調用的函數是根據指向vtbl的vptr在vtbl裡找到相應的函數指針來確定的。

虛函數實現的細節不重要(當然,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,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構了,因為這些語言裡沒有vptr。所以,用其他語言寫的函數來傳遞point也不再可能了,除非專門去為它們設計vptr,而這本身是實現的細節,會導致代碼無法移植。

所以基本的一條是,無故的聲明虛析構函數和永遠不去聲明一樣是錯誤的。實際上,很多人這樣總結:當且僅當類裡包含至少一個虛函數的時候才去聲明虛析構函數。

這是一個很好的准則,大多數情況都適用。但不幸的是,當類裡沒有虛函數的時候,也會帶來非虛析構函數問題。 例如,條款13裡有個實現用戶自定義數組下標上下限的類模板。假設你(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組(即每個數組有一個名字)。

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;
};

如果在應用程序的某個地方你將指向namedarray類型的指針轉換成了array類型的指針,然後用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
                         // 會造成洩漏,因為*pa的namedarray
                         // 永遠不會被刪除


現實中,這種情形出現得比你想象的要頻繁。讓一個現有的類做些什麼事,然後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。但非虛析構函數的問題依然存在(還有其他問題,參見m33)

最後,值得指出的是,在某些類裡聲明純虛析構函數很方便。純虛函數將產生抽象類——不能實例化的類(即不能創建此類型的對象)。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。怎麼辦?因為抽象類是准備被用做基類的,基類必須要有一個虛析構函數,純虛函數會產生抽象類,所以方法很簡單:在想要成為抽象類的類裡聲明一個純虛析構函數。

這裡是一個例子:

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

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