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C++箴言:絕不重定義繼承的非虛擬函數

編輯:關於C++

假設我告訴你 class(類)D 從 class(類)B publicly derived(公有繼承),而且在 class(類)B 中定義了一個 public member function(公有成員函數)mf。mf 的參數和返回值類型是無關緊要的,所以我們就假設它們都是 void。換句話說,我的意思是:

class B {
 public:
  void mf();
  ...
};
class D: public B { ... };

甚至不必知道關於 B,D,或 mf 的任何事情,給定一個類型為 D 的 object(對象)x,

D x; // x is an object of type D

對此你或許非常吃驚,

B *pB = &x; // get pointer to x
pB->mf(); // call mf through pointer

的行為不同於以下代碼:

D *pD = &x; // get pointer to x
pD->mf(); // call mf through pointer

因為在兩種情況中,你都調用了 object(對象)x 中的 member function(成員函數)mf。因為兩種情況中都是同樣的 function(函數)和同樣的 object(對象),它們的行為應該有相同的方式,對嗎?

是的,應該。但是也可能不,特別地,如果 mf 是 non-virtual(非虛擬)而 D 定義了它自己的版本的 mf:

class D: public B {
 public:
  void mf(); // hides B::mf; see Item33
  ...
};
pB->mf(); // calls B::mf
pD->mf(); // calls D::mf

這種行為兩面性的原因是像 B::mf 和 D::mf 這樣的 non-virtual functions(非虛擬函數)是 statically bound(靜態綁定)的(參見 Item 37)。這就意味著因為 pB 被聲明為 pointer-to-B 類型,所以,即使就像本例中的做法,讓 pB 指向一個從 B 繼承的類的對象,通過 pB 調用的 non-virtual functions(非虛擬函數)也總是定義在 class B 中的那一個。

在另一方面,virtual functions(虛擬函數)是 dynamically bound(動態綁定)的(再次參見 Item 37),所以它們不會發生這個問題。如果 mf 是一個 virtual function(虛擬函數),無論通過 pB 還是 pD 調用 mf 都將導致 D::mf 的調用,因為 pB 和 pD 都實際地指向一個 type(類型)D 的 object(對象)。

如果你在編寫 class D 而且你重定義了一個你從 class B 繼承到的 non-virtual function(非虛擬函數)mf,D 的 objects(對象)將很可能表現出不協調的行為。特別是,當 mf 被調用時,任何給定的 D object(對象)的行為既可能像 B 也可能像 D,而且決定因素與 object(對象)本身無關,但是和指向它的 pointer(指針)的聲明類型有關。references(引用)也會像 pointers(指針)一樣表現出莫名其妙的行為。

但這僅僅是一個從實用出發的論據。我知道,你真正需要的是不能重定義 inherited non-virtual functions(通過繼承得到的非虛擬函數)的理論上的理由。我很願意效勞。

前文解釋了 public inheritance(公有繼承)意味著 is-a,在《C++箴言:接口繼承和實現繼承》一文中記述了為什麼在一個 class(類)中聲明一個 non-virtual function(非虛擬函數)是為這個 class(類)設定一個 invariant over specialization(超越特殊化的不變量),如果你將這些經驗應用於 classes(類)B 和 D 以及 non-virtual member function(非虛擬函數)B::mf,那麼:

每一件適用於 B objects(對象)的事情也適用於 D objects(對象),因為每一個 D objects 都 is-a(是一個)D objects(對象);

從 B 繼承的 classes(類)必須同時繼承 mf 的 interface(接口)和 implementation(實現),因為 mf 在 B 中是 non-virtual(非虛擬)的。

現在,如果 D 重定義 mf,你的設計中就有了一處矛盾。如果 D 真的需要實現不同於 B 的 mf,而且如果每一個 B objects(對象)——無論如何特殊——都必須使用 B 對 mf 的實現,那麼每一個 D 都 is-a(是一個)B 就完全不成立。在那種情況下,D 就不應該從 B publicly inherit(公有繼承)。另一方面,如果 D 真的必須從 B publicly inherit(公有繼承),而且如果 D 真的需要實現不同於 B 的 mf,那麼 mf 反映了一個 B 的 invariant over specialization(超越特殊化的不變量)就不會成立。在那種情況下,mf 應該是 virtual(虛擬)的。最後,如果每一個 D 真的都 is-a(是一個)B,而且如果 mf 真的相當於一個 B 的 invariant over specialization(超越特殊化的不變量),那麼 D 就不會真的需要重定義 mf,而且想都不能想。

不管使用那一條規則,必須做出某些讓步,而且無條件地禁止重定義一個 inherited non-virtual function(通過繼承得到的非虛擬函數)。

如果閱讀本文給你 déjà vu(似曾相識)的感覺,那可能是因為你已經閱讀了《C++箴言:多態基類中將析構函數聲明為虛擬》,該文解釋了為什麼 polymorphic base classes(多態基類)中的 destructors(析構函數)應該是 virtual(虛擬)的。如果你違反了那個 guideline(指導方針)(例如,如果你在一個 polymorphic base class(多態基類)中聲明一個 non-virtual destructor(非虛擬析構函數)),你也同時違反了這裡這個 guideline(指導方針),因為 derived classes(派生類)總是要重定義一個 inherited non-virtual function(通過繼承得到的非虛擬函數):base class(基類)的 destructor(析構函數)。甚至對於沒有聲明 destructor(析構函數)的 derived classes(派生類)這也是成立的,因為,就像《C++箴言:了解C++偷偷加上和調用了什麼》中的解釋,destructor(析構函數)是一個“如果你沒有定義你自己的,編譯器就會為你生成一個”的 member functions(成員函數)。其實,《C++箴言:多態基類中將析構函數聲明為虛擬》只相當於本文的一個特殊情況,盡管它重要到足以把它提出來獨立成篇。

Things to Remember

·絕不要重定義一個 inherited non-virtual function(通過繼承得到的非虛擬函數)。

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