Animal這個(gè)例子在C面向?qū)ο缶幊汤飵缀蹩毂恢v爛了但它確實(shí)是把繼承和多態(tài)這兩個(gè)概念講明白的最短路徑。畢竟狗會(huì)叫、貓會(huì)叫、動(dòng)物都會(huì)吃東西這種天然的父子關(guān)系和同名不同行為的現(xiàn)實(shí)映射幾乎就是為繼承和多態(tài)量身定做的場(chǎng)景。這篇文章我打算用一份完整的C代碼把Animal類(lèi)家族從設(shè)計(jì)到落地拆開(kāi)揉碎了講包括繼承怎么設(shè)計(jì)、多態(tài)怎么觸發(fā)、虛函數(shù)表到底是什么以及我在實(shí)際測(cè)試中踩過(guò)的幾個(gè)經(jīng)典坑。不管你是剛學(xué)OOP的新手還是寫(xiě)了一陣子C但總對(duì)多態(tài)有點(diǎn)含糊這篇都適合當(dāng)一份帶注釋的參考。1. 面向?qū)ο缶幊痰睦^承為什么非用Animal開(kāi)頭不可1.1 先看一段沒(méi)有繼承的笨辦法假設(shè)現(xiàn)在我讓你寫(xiě)一個(gè)程序管理一個(gè)動(dòng)物園。第一版需求很簡(jiǎn)單有狗有貓每種動(dòng)物都有名字、年齡都會(huì)吃東西、睡覺(jué)、發(fā)出叫聲。大部分人第一反應(yīng)是寫(xiě)兩個(gè)獨(dú)立的類(lèi)class Dog { public: Dog(std::string name, int age) : name_(name), age_(age) {} void eat() { std::cout name_ is eating. std::endl; } void sleep() { std::cout name_ is sleeping. std::endl; } void speak() { std::cout name_ says: Wang! std::endl; } private: std::string name_; int age_; }; class Cat { public: Cat(std::string name, int age) : name_(name), age_(age) {} void eat() { std::cout name_ is eating. std::endl; } void sleep() { std::cout name_ is sleeping. std::endl; } void speak() { std::cout name_ says: Miao! std::endl; } private: std::string name_; int age_; };這段代碼能跑但你看一眼就會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題。第一name_、age_、eat()、sleep()幾乎是完全重復(fù)的只不過(guò)類(lèi)名換了一下。第二假如后天動(dòng)物園里要加一只鴨子你得把這整段復(fù)制-改名-改叫聲再來(lái)一遍。代碼量隨著動(dòng)物種類(lèi)線(xiàn)性膨脹而且一旦要加一個(gè)公共行為比如所有動(dòng)物都要增加一個(gè)play()方法你得跑到每個(gè)類(lèi)里各改一遍漏改一個(gè)就是噩夢(mèng)。這還只是兩個(gè)類(lèi)現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目里如果有幾十個(gè)類(lèi)共享某些字段和行為這種復(fù)制粘貼式寫(xiě)法會(huì)讓維護(hù)成本直接爆表。繼承要解決的問(wèn)題從最簡(jiǎn)單的層面上說(shuō)就是把共性抽出來(lái)把差異留給子類(lèi)。1.2 繼承是什么is-a 關(guān)系繼承表達(dá)的是is-a關(guān)系。狗是一只動(dòng)物貓也是一只動(dòng)物所以 Dog 和 Cat 是 Animal 的派生類(lèi)Animal 是它們的基類(lèi)。用C的術(shù)語(yǔ)說(shuō)叫派生類(lèi)繼承基類(lèi)。class Animal { public: Animal(std::string name, int age) : name_(name), age_(age) {} void eat() { std::cout name_ is eating. std::endl; } void sleep() { std::cout name_ is sleeping. std::endl; } void speak() { std::cout name_ makes a sound. std::endl; } protected: std::string name_; int age_; };Dog和Cat現(xiàn)在只需要寫(xiě)自己特有的部分class Dog : public Animal { public: Dog(std::string name, int age) : Animal(name, age) {} void speak() { std::cout name_ says: Wang! std::endl; } }; class Cat : public Animal { public: Cat(std::string name, int age) : Animal(name, age) {} void speak() { std::cout name_ says: Miao! std::endl; } };注意我在這里把name_和age_放到了protected區(qū)域。這是繼承設(shè)計(jì)里一個(gè)很關(guān)鍵的取舍如果它們是private派生類(lèi)無(wú)法直接訪(fǎng)問(wèn)如果它們是public外部任何人都能改破壞了封裝。protected的含義是對(duì)子類(lèi)可見(jiàn)對(duì)外部不可見(jiàn)正好卡在中間。不過(guò)要額外提醒一句protected成員本質(zhì)上仍然是類(lèi)接口的一部分用得太多會(huì)讓類(lèi)變得難維護(hù)。更現(xiàn)代的做法是提供getName()、getAge()這樣的訪(fǎng)問(wèn)器。但是在教學(xué)例子里直接protected更容易看清繼承機(jī)制的運(yùn)作所以先用它后面寫(xiě)工程代碼時(shí)再逐步收緊。1.3 公有繼承、保護(hù)繼承、私有繼承到底該選哪個(gè)繼承方式有三種public、protected、private初學(xué)者通常會(huì)忽略它們的區(qū)別。簡(jiǎn)單記一個(gè)結(jié)論日常寫(xiě)業(yè)務(wù)代碼90% 以上用public繼承因?yàn)樽宇?lèi)就是基類(lèi)的一種這個(gè)語(yǔ)義成立。protected繼承和private繼承更多是表達(dá)實(shí)現(xiàn)復(fù)用而不是類(lèi)型從屬實(shí)際工程項(xiàng)目里用得很少而且往往可以用組合替代。繼承方式基類(lèi) public 成員基類(lèi) protected 成員基類(lèi) private 成員典型語(yǔ)義public 繼承變成子類(lèi)的 public變成子類(lèi)的 protected不可訪(fǎng)問(wèn)is-aprotected 繼承變成子類(lèi)的 protected變成子類(lèi)的 protected不可訪(fǎng)問(wèn)子類(lèi)內(nèi)部復(fù)用private 繼承變成子類(lèi)的 private變成子類(lèi)的 private不可訪(fǎng)問(wèn)has-a 的變體讓我把表格里最容易被誤解的一點(diǎn)拆開(kāi)說(shuō)。很多人以為private繼承下基類(lèi)的private成員會(huì)被繼承下來(lái)只是子類(lèi)不能用——這個(gè)理解不準(zhǔn)確。C 標(biāo)準(zhǔn)里private成員始終是存在于對(duì)象中但子類(lèi)不可見(jiàn)。也就是說(shuō)一個(gè)Dog對(duì)象里確實(shí)有一塊內(nèi)存存放Animal的私有數(shù)據(jù)只是你從Dog的成員函數(shù)里訪(fǎng)問(wèn)不到它。這一點(diǎn)和 Java 有明顯的差異也是C的繼承模型比較底層的體現(xiàn)。2. 繼承實(shí)戰(zhàn)Animal類(lèi)家族是怎樣設(shè)計(jì)出來(lái)的2.1 基類(lèi)成員設(shè)計(jì)的先后順序設(shè)計(jì)基類(lèi)時(shí)我習(xí)慣按照屬性 - 構(gòu)造 - 行為的順序來(lái)推敲。屬性方面Animal 至少要有名字和年齡所以定義std::string name_和int age_。這里有個(gè)很多人剛開(kāi)始學(xué)時(shí)會(huì)困惑的點(diǎn)成員變量命名結(jié)尾為什么加下劃線(xiàn)沒(méi)有硬性規(guī)定但下劃線(xiàn)后綴是我比較推薦的一種命名習(xí)慣它能把成員變量和局部變量、函數(shù)參數(shù)一目了然地分開(kāi)避免在構(gòu)造函數(shù)里出現(xiàn)name name這種自賦值歧義。構(gòu)造方面Animal 需要一個(gè)構(gòu)造函數(shù)來(lái)初始化這兩個(gè)成員Animal(std::string name, int age) : name_(std::move(name)), age_(age) {}這里我用了std::move(name)把字符串的拷貝變成移動(dòng)省掉一次不必要的復(fù)制。如果你還沒(méi)學(xué)到移動(dòng)語(yǔ)義先寫(xiě)成const std::string name然后name_(name)也完全沒(méi)問(wèn)題核心是理解初始化列表的語(yǔ)法name_(name)是在對(duì)象構(gòu)造階段直接初始化成員而不是先默認(rèn)構(gòu)造再賦值。這兩者的區(qū)別對(duì)內(nèi)置類(lèi)型比如int不明顯但對(duì)std::string這種帶資源管理的類(lèi)型直接初始化可以避免一次無(wú)謂的默認(rèn)構(gòu)造開(kāi)銷(xiāo)。行為方面eat()和sleep()這類(lèi)所有動(dòng)物都通用的函數(shù)直接放在基類(lèi)里讓子類(lèi)繼承即可。speak()則比較特殊因?yàn)槊糠N動(dòng)物叫聲不同這就為后面的多態(tài)埋下了伏筆。在第一版里我暫時(shí)讓它輸出一句籠統(tǒng)的 makes a sound后面再改成純虛函數(shù)。2.2 派生類(lèi)構(gòu)造函數(shù)初始化列表為何必須調(diào)用基類(lèi)構(gòu)造寫(xiě)Dog的構(gòu)造函數(shù)時(shí)初始化列表里先調(diào)用了Animal(name, age)。這個(gè)調(diào)用的順序是C強(qiáng)制規(guī)定的先構(gòu)造基類(lèi)部分再構(gòu)造派生類(lèi)自己的成員最后執(zhí)行派生類(lèi)構(gòu)造函數(shù)體。Dog(std::string name, int age) : Animal(name, age) {}如果你想偷懶不寫(xiě): Animal(name, age)那么編譯器會(huì)自動(dòng)調(diào)用基類(lèi)的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)也就是無(wú)參的那種。如果基類(lèi)沒(méi)有定義默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)而只定義了帶兩個(gè)參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)編譯就會(huì)直接報(bào)錯(cuò)。這個(gè)報(bào)錯(cuò)信息可能有點(diǎn)繞比如no matching function for call to Animal::Animal()——看到這種報(bào)錯(cuò)第一反應(yīng)就應(yīng)該是派生類(lèi)沒(méi)有正確調(diào)用基類(lèi)的帶參構(gòu)造。另外還有一個(gè)細(xì)節(jié)派生類(lèi)構(gòu)造函數(shù)體內(nèi)的代碼這時(shí)候基類(lèi)部分已經(jīng)構(gòu)造完成。所以如果你想在函數(shù)體里訪(fǎng)問(wèn)name_做某些操作是安全的。2.3 同名函數(shù)的遮蔽問(wèn)題把speak()寫(xiě)進(jìn)Dog類(lèi)之后實(shí)際上發(fā)生了一件初學(xué)者容易忽略的事Dog::speak()把Animal::speak()遮蔽了。注意我用的是遮蔽hiding而不是覆蓋overriding。這是兩個(gè)完全不同的概念后面講多態(tài)時(shí)會(huì)重新提到。Dog dog(Wangcai, 3); dog.speak(); // 調(diào)用 Dog::speak() dog.Animal::speak(); // 顯式調(diào)用基類(lèi)版本第一種調(diào)用大家都能理解第二種顯式調(diào)用基類(lèi)版本就不太常用了。但在某些場(chǎng)景下它確實(shí)有用比如子類(lèi)的speak()想先執(zhí)行基類(lèi)speak()里的公共邏輯再補(bǔ)充自己的邏輯。這時(shí)候你可以這么寫(xiě)void speak() override { Animal::speak(); // 先讓基類(lèi)做基礎(chǔ)輸出 std::cout and then barks. std::endl; }遮蔽的另一個(gè)麻煩在于如果派生類(lèi)里定義了一個(gè)和基類(lèi)同名但是參數(shù)列表不同的函數(shù)基類(lèi)的所有同名重載都會(huì)被遮蔽而不僅僅是那個(gè)參數(shù)匹配的版本。我用個(gè)例子說(shuō)明class Example { public: void func(int) {} void func(double) {} }; class Derived : public Example { public: void func(std::string) {} }; Derived d; d.func(1); // 編譯錯(cuò)誤基類(lèi)的 func(int) 被遮蔽了新手經(jīng)常在這里踩坑以為func(int)還能用結(jié)果報(bào)錯(cuò)找不到匹配函數(shù)。解決辦法是顯式引入基類(lèi)的重載using Example::func;寫(xiě)在使用之前即可。3. 多態(tài)性基礎(chǔ)概念與C實(shí)現(xiàn)機(jī)制3.1 什么是多態(tài)性多態(tài)這個(gè)詞聽(tīng)起來(lái)抽象翻譯成大白話(huà)就是同一個(gè)函數(shù)調(diào)用作用在不同對(duì)象上表現(xiàn)出不同的行為。C里的多態(tài)主要分兩類(lèi)編譯期多態(tài)和運(yùn)行期多態(tài)。編譯期多態(tài)包括函數(shù)重載、運(yùn)算符重載、模板。它們的特點(diǎn)是編譯時(shí)就已經(jīng)確定了到底調(diào)用哪個(gè)函數(shù)速度快但沒(méi)有靈活性。運(yùn)行期多態(tài)才是 OOP 教材里講的多態(tài)通過(guò)虛函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它的核心奧義是調(diào)用哪個(gè)函數(shù)在運(yùn)行期根據(jù)對(duì)象的實(shí)際類(lèi)型決定而不是根據(jù)指針或引用的靜態(tài)類(lèi)型決定。這句話(huà)值得反復(fù)讀三遍它是理解多態(tài)的鑰匙。我們來(lái)看一個(gè)具體場(chǎng)景。假設(shè)我寫(xiě)一個(gè)函數(shù)void makeSound(Animal animal) { animal.speak(); }如果speak()不是虛函數(shù)那么makeSound(dog)調(diào)用的永遠(yuǎn)是Animal::speak()哪怕傳入的是 Dog 對(duì)象。但如果把speak()聲明為 virtual那傳入 Dog 就調(diào) Dog 的版本傳入 Cat 就調(diào) Cat 的版本函數(shù)本身一行都不用改。這就是多態(tài)的價(jià)值寫(xiě)一遍通用邏輯就能處理一個(gè)類(lèi)族里所有類(lèi)型未來(lái)加新類(lèi)型也不需要修改現(xiàn)有代碼。3.2 虛函數(shù)與 override 的正確寫(xiě)法把 Animal 的speak()聲明成虛函數(shù)class Animal { public: virtual void speak() const { std::cout name_ makes a sound. std::endl; } // ... }; class Dog : public Animal { public: void speak() const override { std::cout name_ says: Wang! std::endl; } };兩個(gè)細(xì)節(jié)要解釋。第一override關(guān)鍵字是 C11 引入的它本身不是必需的但沒(méi)有它容易出問(wèn)題。假設(shè)派生類(lèi)里把函數(shù)簽名寫(xiě)錯(cuò)了比如少寫(xiě)一個(gè)constvoid speak() override; // 如果基類(lèi)是 void speak() const這里就編譯失敗如果寫(xiě)了override編譯器會(huì)立刻提醒你沒(méi)有匹配的基類(lèi)虛函數(shù)。如果不寫(xiě)編譯器不會(huì)報(bào)錯(cuò)只是默默地把這個(gè)函數(shù)變成一個(gè)普通的新函數(shù)導(dǎo)致本來(lái)期望的多態(tài)失效。這種 bug 非常隱蔽所以我個(gè)人的建議是凡是意圖覆蓋基類(lèi)虛函數(shù)的地方一律加上 override它是你的安全網(wǎng)。第二虛函數(shù)簽名必須完全匹配包括參數(shù)列表、const 限定符、引用限定符。返回類(lèi)型可以協(xié)變但那是另一個(gè)話(huà)題初學(xué)階段可以先不深究。3.3 虛函數(shù)表多態(tài)背后的一點(diǎn)真相講了這么多虛函數(shù)到底是怎么實(shí)現(xiàn)多態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)里沒(méi)有規(guī)定具體機(jī)制但幾乎所有主流編譯器用的都是虛函數(shù)表方案也就是 vtable。簡(jiǎn)單說(shuō)每個(gè)包含虛函數(shù)的類(lèi)編譯器都會(huì)為它生成一張表表里存的是這個(gè)類(lèi)所有虛函數(shù)的實(shí)際地址。每個(gè)對(duì)象內(nèi)部會(huì)隱藏一個(gè)指針叫 vptr指向自己所屬類(lèi)的虛函數(shù)表。調(diào)用虛函數(shù)時(shí)程序先通過(guò) vptr 找到虛函數(shù)表再?gòu)谋砝锶〕鰧?duì)應(yīng)的函數(shù)指針來(lái)調(diào)用。我用 Dog 和 Cat 的繼承關(guān)系畫(huà)個(gè)文字版說(shuō)明Animal 對(duì)象: [vptr] - Animal::speak() Dog 對(duì)象: [vptr] - Dog::speak() Cat 對(duì)象: [vptr] - Cat::speak()所以當(dāng)你寫(xiě)animal.speak()時(shí)實(shí)際執(zhí)行的是(*(animal.vptr[i]))()那個(gè) i 是 speak 在虛函數(shù)表里的槽位。Dog 對(duì)象里存的數(shù)據(jù)是 Dog 自己的但它的 vptr 也是 Dog 自己的所以即使你用一個(gè)Animal引用去調(diào)用最終仍然跳到 Dog 的 speak 上。這就是運(yùn)行期多態(tài)的底層邏輯。代價(jià)也很直白每個(gè)帶虛函數(shù)的對(duì)象都要多占用 8 字節(jié)64 位平臺(tái)下來(lái)存 vptr。一個(gè) Animal 對(duì)象如果原本只有 40 字節(jié)有了虛函數(shù)可能會(huì)變成 48 字節(jié)。對(duì)一個(gè)對(duì)象數(shù)量巨大的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)這個(gè)開(kāi)銷(xiāo)需要考慮而虛函數(shù)調(diào)用本身也比普通函數(shù)調(diào)用多一次間接跳轉(zhuǎn)性能上略有損耗。絕大多數(shù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景可以忽略但做底層庫(kù)時(shí)就要掂量了。4. 完整實(shí)操把 Animal 家族升級(jí)成可直接運(yùn)行的動(dòng)物園4.1 用純虛函數(shù)升華抽象層次上一版 Animal 的speak()雖然寫(xiě)了句 makes a sound但你仔細(xì)想想現(xiàn)實(shí)里不存在一種泛泛的動(dòng)物會(huì)發(fā)出泛泛的聲音。每一個(gè)具體動(dòng)物的叫聲都是獨(dú)特的。這給我們一個(gè)啟示Animal 這個(gè)類(lèi)的speak()根本不該有實(shí)現(xiàn)因?yàn)樗诟拍钌暇褪俏炊x的。C 專(zhuān)門(mén)為這種情況設(shè)計(jì)了純虛函數(shù)寫(xiě)法是在虛函數(shù)聲明后面加 0class Animal { public: virtual void speak() const 0; // 純虛函數(shù) virtual ~Animal() default; // 虛析構(gòu)函數(shù)后面講 };一旦類(lèi)里有了純虛函數(shù)這個(gè)類(lèi)就成了抽象類(lèi)不能直接實(shí)例化。你不能再寫(xiě)Animal animal(some, 1)編譯會(huì)直接報(bào)錯(cuò)。只能創(chuàng)建 Dog、Cat 這種實(shí)現(xiàn)了speak()的具體派生類(lèi)。這個(gè)語(yǔ)法其實(shí)和 Java 里的 abstract method 是同一個(gè)思想定義接口具體行為交給子類(lèi)。但從設(shè)計(jì)角度說(shuō)把基類(lèi)做成抽象類(lèi)不是一個(gè)選擇題而是一個(gè)合理性判斷題。如果你發(fā)現(xiàn)基類(lèi)里某個(gè)虛函數(shù)你自己都編不出一個(gè)合理的默認(rèn)實(shí)現(xiàn)那就說(shuō)明它應(yīng)該是個(gè)純虛函數(shù)。4.2 一份可以跑起來(lái)的完整代碼下面是我整理的一版完整程序你復(fù)制到編譯器里可以直接運(yùn)行。為了展示多態(tài)我加了一個(gè)全局函數(shù)makeSound接收Animal類(lèi)型。#include iostream #include string #include vector #include memory class Animal { public: Animal(std::string name, int age) : name_(std::move(name)), age_(age) {} virtual void speak() const 0; void eat() const { std::cout name_ is eating. std::endl; } void sleep() const { std::cout name_ is sleeping. std::endl; } std::string getName() const { return name_; } int getAge() const { return age_; } virtual ~Animal() default; private: std::string name_; int age_; }; class Dog : public Animal { public: Dog(std::string name, int age) : Animal(std::move(name), age) {} void speak() const override { std::cout getName() says: Wang! Wang! std::endl; } }; class Cat : public Animal { public: Cat(std::string name, int age) : Animal(std::move(name), age) {} void speak() const override { std::cout getName() says: Miao~ std::endl; } }; class Duck : public Animal { public: Duck(std::string name, int age) : Animal(std::move(name), age) {} void speak() const override { std::cout getName() says: Quack! std::endl; } }; void makeSound(Animal animal) { animal.speak(); } int main() { Dog dog(Wangcai, 2); Cat cat(Kitty, 3); Duck duck(Donald, 1); std::vectorstd::unique_ptrAnimal zoo; zoo.push_back(std::make_uniqueDog(Xiaohei, 2)); zoo.push_back(std::make_uniqueCat(Xiaobai, 3)); zoo.push_back(std::make_uniqueDuck(Xiaohuang, 1)); for (const auto animal : zoo) { animal-speak(); } makeSound(dog); makeSound(cat); makeSound(duck); return 0; }運(yùn)行結(jié)果Xiaohei says: Wang! Wang! Xiaobai says: Miao~ Xiaohuang says: Quack! Wangcai says: Wang! Wang! Kitty says: Miao~ Donald says: Quack!4.3 為什么這里必須用指針或引用注意我在main里用了std::unique_ptrAnimal來(lái)存對(duì)象而不是std::vectorAnimal。這是有講究的。std::vectorAnimal要求 Animal 是可以實(shí)例化的對(duì)象數(shù)組但 Animal 是抽象類(lèi)本身就不能這樣用。退一步說(shuō)就算 Animal 不是抽象類(lèi)std::vectorAnimal存 Dog 也會(huì)觸發(fā)對(duì)象切片問(wèn)題Dog 對(duì)象被拷貝進(jìn)一個(gè) Animal 大小的空間Animal 部分被保留Dog 特有的數(shù)據(jù)被切掉虛函數(shù)表指針也被替換成 Animal 的。丟進(jìn)去的狗取出來(lái)就只能當(dāng)普通動(dòng)物用了多態(tài)徹底失效。對(duì)象切片是C新手最容易踩的隱形坑之一。來(lái)看一個(gè)最小復(fù)現(xiàn)場(chǎng)景void processByValue(Animal animal) { animal.speak(); } Dog dog(Wangcai, 2); processByValue(dog); // 永遠(yuǎn)調(diào)用 Animal::speak()而不是 Dog::speak()所以規(guī)則可以記成一句話(huà)只要你想用多態(tài)基類(lèi)參數(shù)就必須寫(xiě)成引用或指針。傳值必然切片無(wú)一例外。4.4 虛析構(gòu)函數(shù)多態(tài)的收尾動(dòng)作我在 Animal 類(lèi)里寫(xiě)了virtual ~Animal() default;這一行看著不起眼但少寫(xiě)它會(huì)造成真實(shí)的內(nèi)存泄漏。假設(shè)你寫(xiě)的是class Animal { public: virtual void speak() const 0; // 注意沒(méi)有虛析構(gòu)函數(shù) }; class Dog : public Animal { public: Dog() default; private: std::unique_ptrint data_ std::make_uniqueint(42); }; Animal* ptr new Dog(); delete ptr; // 危險(xiǎn)delete ptr時(shí)因?yàn)榛?lèi)析構(gòu)函數(shù)不是 virtual編譯器會(huì)調(diào)用Animal::~Animal()而不會(huì)調(diào)用Dog::~Dog()。結(jié)果data_這個(gè)成員永遠(yuǎn)沒(méi)有機(jī)會(huì)被釋放內(nèi)存泄漏就發(fā)生了。規(guī)則是只要基類(lèi)里有虛函數(shù)就應(yīng)當(dāng)在基類(lèi)里提供虛析構(gòu)函數(shù)。哪怕是空實(shí)現(xiàn) default都行。5. 常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄5.1 派生類(lèi)里忘了寫(xiě) override 會(huì)發(fā)生什么我在前面提過(guò)簽名不匹配的問(wèn)題這里用完整例子展示后果class Dog : public Animal { public: void speak() const override { ... } // 正確 // void speak() override { ... } // 錯(cuò)誤少了 const編譯失敗 };如果不寫(xiě) override第二個(gè)版本會(huì)靜默通過(guò)編譯但同時(shí)它不會(huì)覆蓋基類(lèi)虛函數(shù)而是引入一個(gè)新的Dog::speak()。這時(shí)候多態(tài)失效而你根本不知道問(wèn)題出在哪。排查這類(lèi)問(wèn)題的第一手段就是全局搜一下代碼里哪些函數(shù)意圖覆蓋基類(lèi)函數(shù)然后逐個(gè)補(bǔ)上override讓編譯器來(lái)幫你驗(yàn)證。5.2 構(gòu)造函數(shù)里調(diào)用虛函數(shù)多態(tài)為什么失效這是個(gè)很經(jīng)典的問(wèn)題class Animal { public: Animal() { speak(); // 想在這里調(diào)用子類(lèi)的 speak() } virtual void speak() const 0; };你期望創(chuàng)建 Dog 時(shí)構(gòu)造函數(shù)調(diào)用的是 Dog::speak()但實(shí)際調(diào)用的是 Animal 版本。原因在于對(duì)象構(gòu)造時(shí)先構(gòu)造基類(lèi)部分此時(shí)派生類(lèi)部分還不存在動(dòng)態(tài)類(lèi)型就是 Animal 本身。在基類(lèi)構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行期間虛函數(shù)分派只作用于當(dāng)前正在構(gòu)造的這個(gè)類(lèi)的級(jí)別。如果你在構(gòu)造函數(shù)里依賴(lài)多態(tài)行為幾乎可以肯定設(shè)計(jì)有誤。更合理的做法是把初始化工作移到子類(lèi)構(gòu)造函數(shù)里或者在構(gòu)造完成之后再調(diào)用一個(gè)單獨(dú)方法。5.3 虛函數(shù)表指針是否會(huì)被繼承很多初學(xué)者會(huì)問(wèn)vptr 是繼承下來(lái)的還是每個(gè)類(lèi)都有自己的準(zhǔn)確的說(shuō)法是每個(gè)包含虛函數(shù)的類(lèi)都有自己的虛函數(shù)表和自己的 vptr但派生類(lèi)對(duì)象的 vptr 在內(nèi)存布局上和基類(lèi)的是同一個(gè)位置繼承相當(dāng)于占用了基類(lèi) vptr 的位置只不過(guò)指向了派生類(lèi)自己的虛函數(shù)表。這也解釋了為什么對(duì)象切片會(huì)破壞多態(tài)切完之后的臨時(shí) Animal 對(duì)象vptr 已經(jīng)被重置為 Animal 虛函數(shù)表的地址。5.4 常見(jiàn)問(wèn)題速查表問(wèn)題現(xiàn)象根本原因解決方案派生類(lèi)函數(shù)沒(méi)被調(diào)用調(diào)用的是基類(lèi)版本忘了加 virtual 或 override簽名不匹配基類(lèi)加 virtual子類(lèi)加 override用 vectorAnimal 存 Dog多態(tài)失效對(duì)象切片改用 vectorunique_ptrAnimal 或指針數(shù)組delete 基類(lèi)指針后內(nèi)存泄漏基類(lèi)沒(méi)有虛析構(gòu)函數(shù)給基類(lèi)加 virtual ~Animal()派生類(lèi)構(gòu)造時(shí)調(diào)用的虛函數(shù)不對(duì)構(gòu)造期間動(dòng)態(tài)類(lèi)型未完成不在構(gòu)造函數(shù)中依賴(lài)多態(tài)派生類(lèi)里定義了同名不同參函數(shù)基類(lèi)重載不可用名字遮蔽在派生類(lèi)里用 using Base::func; 引入基類(lèi)重載5.5 幾個(gè)我實(shí)測(cè)后想額外叮囑的細(xì)節(jié)代碼寫(xiě)多之后你會(huì)發(fā)現(xiàn)虛函數(shù)和默認(rèn)參數(shù)搭配會(huì)有奇怪行為。默認(rèn)參數(shù)是靜態(tài)綁定的意思是即便調(diào)用的是派生類(lèi)的虛函數(shù)默認(rèn)參數(shù)卻取自靜態(tài)類(lèi)型基類(lèi)的定義。舉例class Animal { public: virtual void speak(int times 3) const { std::cout times std::endl; } }; class Dog : public Animal { public: void speak(int times 5) const override { std::cout times std::endl; } }; Animal animal dog; animal.speak(); // 輸出 3不是 5原因就是默認(rèn)參數(shù)在編譯期就寫(xiě)死在調(diào)用點(diǎn)上了。這個(gè)坑很難從代碼表面看出來(lái)我的建議是虛函數(shù)不寫(xiě)默認(rèn)參數(shù)或者保證基類(lèi)和派生類(lèi)的默認(rèn)參數(shù)完全一致避免產(chǎn)生視覺(jué)混淆。另一個(gè)細(xì)節(jié)是關(guān)于final關(guān)鍵字。如果某個(gè)類(lèi)不想再被繼承可以直接class Dog final : public Animal或者某個(gè)虛函數(shù)不想再被子類(lèi)覆蓋寫(xiě)成virtual void speak() const override final。這相當(dāng)于把設(shè)計(jì)意圖明確地告訴編譯器也能在犯錯(cuò)時(shí)提早暴露問(wèn)題。最后說(shuō)一句關(guān)于這個(gè)例子本身的體會(huì)。Animal 、Dog、Cat 這個(gè)教學(xué)案例從語(yǔ)法層面看很短但它覆蓋了繼承訪(fǎng)問(wèn)控制、構(gòu)造順序、名字遮蔽、虛函數(shù)、純虛函數(shù)、虛析構(gòu)、對(duì)象切片這么一堆東西。真正把它跑通并且把每一個(gè)為什么都解釋清楚之后你對(duì)C的整個(gè)對(duì)象模型都會(huì)有一個(gè)質(zhì)的認(rèn)識(shí)。我個(gè)人的建議是不要只看代碼就覺(jué)得自己會(huì)了把你見(jiàn)到的每個(gè)類(lèi)都手動(dòng)加一個(gè)派生類(lèi)多試試不同的繼承方式和調(diào)用方式哪怕故意寫(xiě)錯(cuò)把編譯器報(bào)錯(cuò)讀明白才是把知識(shí)變成手藝的過(guò)程。