Как работают виртуальные методы

При создании объекта в производном классе, например в классе Dog, сначала вызывается конструктор базового, а затем — производного класса. Схематично объект класса Dog показан на рис. 11.2. Обратите внимание, что объект производного класса состоит как бы из двух частей, одна из которых создается конструктором базового класса, а другая — конструктором производного класса.

Рис. 11.2. Созданный объект класса Dog

Рис. 11.3. Таблица виртуальных функций класса Mammal

Если в каком-то из объектов создается обычная не виртуальная функция, то всю полноту ответственности за эту функцию берет на себя объект. Большинство компиляторов создают таблицы виртуальных функций, называемые также v-таблицами. Такие таблицы создаются для каждого типа данных, и каждый объект любого класса содержит указатель на таблицу виртуальных функций (vptr, или v-указатель).

Хотя детали реализации выполнения виртуальных функций меняются в разных компиляторах, сами виртуальные функции будут работать совершенно одинаково, независимо от компилятора.

Рис. 11.4. Таблица виртуальных функций класса Dog

Итак, в каждом объекте есть указатель vptr, который ссылается на таблицу виртуальных функций, содержащую, в свою очередь, указатели на все виртуальные функции. (Более подробно указатели на функции рассматриваются на занятии 14.) Указатель vptr для объекта класса Dog инициализируется при создании части объекта, принадлежащей базовому классу Mammal, как показано на рис. 11.3.

После вызова конструктора класса Dog указатель vptr настраивается таким образом, чтобы указывать на замещенный вариант виртуальной функции (если такой есть), существующий для класса Dog (рис. 11.4).

В результате при использовании указателя на класс Mammal указатель vptr по- прежнему ссылается на тот вариант виртуальной функции, который соответствует реальному типу объекта. Поэтому при обращении к методу Speak() в предыдущем примере выполнялась та функция, которая была задана в соответствующем производном классе.

Нельзя брать там, находясь здесь

Если для объекта класса Dog объявлен метод WagTail(), который не принадлежит классу Mammal, то невозможно получить доступ к этому методу, используя указатель класса Mammal (если только этот указатель не будет явно преобразован в указатель класса Dog). Поскольку функция WagTail() не является виртуальной и не принадлежит классу Mammal, то доступ к ней можно получить только из объекта класса Dog или с помощью указателя этого класса.

Поскольку любые преобразования чреваты ошибками, создатели C++ допустили только явные преобразования типов. Всегда можно преобразовать любой указатель класса Mammal в указатель класса Dog, но есть более надежный и безопасный способ вызова метода WagTail(). Чтобы разобраться в тонкостях упомянутого метода, необходимо освоить множественное наследование, о котором речь пойдет на следующем занятии, или научиться работе с шаблонами, что будет темой занятия 20.

Дробление объекта

Следует обратить внимание, что вся магия виртуальных функций проявляется только при обращении к ним с помощью указателей и ссылок. Если передать объект как значение, то виртуальную функцию вызвать не удастся. Эта проблема показана в листинге 11.10.

Листинг 11.10. Дробление объекта при передаче его как значения

1: //Листинг 11.10. Дробление объекта при передачи его как значения

2:

3: #include <iostream.h>

4:

5: class Mammal

6: {

7: public:

8: Mammal():itsAge(1) { }

9: virtual ~Mammal() { }

10: virtual void Speak() const { cout << "Mammal speak!\n"; }

11: protected:

12: int itsAge;

13: };

14:

15: class Dog : public Mammal

16: {

17: public:

18: void Speak()const { cout << "Woof!\n"; }

19: };

20:

21: class Cat : public Mammal

22: {

23: public:

24: void Speak()const { cout << "Meow!\ri"; >

25: };

26:

27: void ValueFunction (Mammal);

28: void PtrFunction (Mammal*);

29: void RefFunction (Mammal&);

30: int main()

31: {

32: Mammal* ptr=0;

33: int choice;

34: while (1)

35: {

36: bool fQuit = false;

37: cout << "(1)dog (2)cat (0)Quit: ";

38: cin >> choice;

39: switch (choice)

40: {

41: case 0: fQuit = true;

42: break;

43: case 1: ptr = new Dog;

44: break;

45: case 2: ptr = new Cat;

46: break;

47: default: ptr = new Mammal;

48: break;

49: }

50: if (fQuit)

51: break;

52: PtrFunction(ptr);

53: RefFunction(*ptr);

54: ValueFunction(*ptr);

55: }

56: return 0;

57: }

58:

59: void ValueFunction (Mammal MammalValue)

60: {

61: MammalValue.Speak();

62: }

63:

64: void PtrFunction (Mammal * pMammal)

65: {

66: pMammal->Speak();

67: }

68:

69: void RefFunction (Mammal & rMammal)

70: {

71: rMammal.Speak();

72: }

Результат:

(1)dog (2)cat (0)Quit: 1

Woof

Woof

Mammal Speak!

(1)dog (2)cat (0)Quit: 2

Meow!

Meow!

Mammal Speak!

(1)dog (2)cat (0)Quit: 0

Анализ: В строках 5—25 определяются классы Mammal, Dog и Cat. Затем объявляются три функции — PtrFunction(), RefFunction() и ValueFunction(). Они принимают соответственно указатель класса Mammal, ссылку класса Mammal и объект класса Mammal. После чего выполняют одну и ту же операцию — вызывают метод Speak().

Пользователю предлагается выбрать объект класса Dog или класса Cat, после чего в строках 43—46 создается указатель соответствующего типа.

Судя по информации, выведенной программой на экран, пользователь первый раз выбрал объект класса Dog, который был создан в свободной области памяти 43-й строкой программы. Затем объект класса Dog передается в три функции с помощью указателя, с помощью ссылки и как значение.

В том случае, когда в функцию передавался адрес объекта с помощью указателя или ссылки, успешно выполнялась функция-член Dog->Speak(). На экране компьютера дважды появилось сообщение, соответствующее выбранному пользователем объекту.

Разыменованный указатель передает объект как значение. В этом случае функция распознает принадлежность переданного объекта классу Mammal, компилятор разбивает объект класса Dog пополам и использует только ту часть, которая была создана конструктором класса Mammal. В таком случае вызывается версия метода Speak(), которая была объявлена для класса Mammal, что и отобразилось в информации, выведенной программой на экран.

Те же действия и с тем же результатом были выполнены затем и для объекта класса Cat.

Виртуальные деструкторы

В том случае, когда ожидается указатель на объект базового класса, вполне допустима и часто используется на практике передача указателя на объект производного класса. Что произойдет при удалении указателя, ссылающегося на объект производного класса? Если деструктор будет объявлен как виртуальный, то все пройдет отлично — будет вызван деструктор соответствующего производного класса. Затем деструктор производного класса автоматически вызовет деструктор базового класса, и указанный объект будет удален целиком.

Отсюда следует правило: если в классе объявлены виртуальные функции, то и деструктор должен быть виртуальным.