静态联编和动态联编

程序调用函数时，将使用哪个可执行代码块呢？编译器负责回答这个问题。将源代码中的函数调用解释为执行特定的函数代码块被称为函数名u对应一个不同的函数。在 C++ 中，由于函数重载的缘故，这项任务更复杂。编译器必须查看函数参数以及函数名才能确定使用哪个函数。然而，C/C++ 编译器可以在编译过程完成这种联编。在编译过程中进行联编被称为静态联编（static binding），又称为早期联编（early binding）。然而，虚函数使这项工作变得更困难。正如在上面程序所示的那样，使用哪一个函数是不能在编译时确定的，因为编译器不知道用户将选择哪种类型的对象。所以，编译器必须生成能够在程序运行时选择正确的虚方法的代码，这被称为动态联编（dynamic binding)，又称为晚期联编（late binding）。

知道虚方法的行为后，下面深入地探讨这一过程，首先介绍C++如何处理指针和引用类型的兼容性。

指针和引用类型的兼容性

在 C++ 中，动态联编与通过指针和引用调用方法相关，从某种程度上说，这是由继承控制的。公有继承建立 is-a 关系的一种方法是如何处理指向对象的指针和引用。通常，C++ 不允许将一种类型的地址赋给另一种类型的指针，也不允许将一种类型的引用指向另一种类型：

double x = 2.5; int * pi = &x; // invalid assignment, mismatched pointer type long & r1 = x; // invalic assignment, mismatched reference type 

然而，指向基类的引用或指针可以引用派生类对象，而不必进行显示类型转换。例如，下面的初始化是允许的：

讯享网BrassPlus dilly ("Annie Dill", , 2000); Brass * pb = &dilly; // ok Brass & rb = dilly; // ok 

将派生类引用或指针转换为基类引用或指针被称为向上强制转换( upcasting），这使公有继承不需要进行显示转换。该规则是 is-a 关系的一部分。BrassPlus 对象都是 Brass 对象，因为它继承了 Brass 对象所有的数据成员和成员函数。

虚成员函数和动态联编

来回顾一下使用引用或指针调用方法的过程。请看下面的代码：

BrassPlus ophelia; // derived-class object Brass * bp; // base-class pointer bp = &ophelia; // Brass pointer to BrassPlus object bp -> ViewAcct(); // which version? 

正如前面介绍的，如果在基类中没有将 ViewAcct() 声明为虚的，则 bp->ViewAcct() 将根据指针类型(Brass *）调用 Brass::ViewAcct()。指针类型在编译时已知，因此编译器在编译时，可以将 ViewAcct() 关联到 Brass::ViewAcct()。总之，编译器对非虚方法使用静态联编

然而，如果在基类中将 ViewAcct() 声明为虚的，则 bp->ViewAcct() 根据对象类型（BrassPlus）调用 BrassPlus::ViewAcct()。在这个例子中，对象类型为 BrassPlus，但通常（如上面的程序所示）只有在运行程序时才能确定对象的类型。所以编译器生成的代码将在程序执行时，根据对象类型将 ViewAcct() 关联到 Brass::ViewAcct() 或 BrassPlus::ViewAcct()。总之，编译器对虚方法使用动态联编。

在大多数情况下，动态联编很好，因为它让程序能够选择为特定类型设计的方法。因此，您可能会问：

• 为什么会有两种类型的联编？
• 既然动态联编如此之好，为什么不将它设置成默认的？
• 动态联编是如何工作的？

下面来看看这些问题的答案。

1. 为什么有两种类型的联编以及为什么默认为静态联编

原因有两个——效率和概念模型

首先来看效率，为使程序能够在运行阶段进行决策，必须采取一些方法来跟踪基类指针或引用指向的对象类型，这增加了额外的处理开销。例如，如果类不会用作基类，则不需要动态联编。同样，如果派生类不重新定义基类的任何方法，也不需要使用动态联编。在这些情况下，使用静态联编更合理，效率也更高。由于静态联编的效率更高，因此被设置为 C ++ 的默认选择。Strousstrup 说，C++ 的指导原则之一是，不要为不使用的特性付出代价（内存或者处理时间）。仅当程序设计确实需要虚函数时，才使用它们。

接下来看概念模型。在设计类时，可能包含一些不在派生类重新定义的成员函数。例如Brass::Balance() 函数返回账户结余，不应该重新定义。不将该函数设置为虚函数，有两方面的好处：首先效率更高；其次，指出不要重新定义该函数。这表明，仅将哪些预期将被重新定义的方法声明为虚的。

提示：如果要在派生类中重新定义基类的方法，则将它设置为虚方法；否则，设置为非虚方法。

2. 虚函数的工作原理

C++ 规定了虚函数的行为，但将实现方法留给了编译器作者。不需要知道实现方法就可以使用虚函数，但了解虚函数的工作原理有助于更好地理解概念，因此，这里对其进行介绍。

通常，编译器处理虚函数的方法是：给每个对象添加一个隐藏成员。隐藏成员中保存了一个指向函数地址数组的指针。这种数组称为虚函数表（virtual function table，vtbl）。虚函数表中存储了为类对象进行声明的虚函数的地址。例如，基类对象包含一个指针，该指针指向基类中所有虚函数的地址表。派生类对象将包含一个指向独立地址表的指针。如果派生类提供了虚函数的新定义，该虚函数表将保存新函数的地址；如果派生类没有重新定义虚函数，该 vtbl 将保存函数原始版本的地址。如果派生类定义了新的虚函数，则该函数的地址也将被添加到 vtbl 中。注意，无论类中包含的虚函数是1个还是10个，都只需要在对象中添加 1 个地址成员，只是表的大小不同而已。

讯享网class Scientist { ... char name[40]; public: virtual void show_name(); virtual coid show_all(); ... }; class Physicist : public Scientist { ... char field[40]; public: void show_all(); // redefined virtual void show_field(); // new ... }; 

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• 每个对象都将增大，增大量为存储地址的空间；
• 对于每个类，编译器都创建一个虚函数地址表（数组）；
• 对于每个函数调用都需要执行一项额外的操作，即到表中查找地址。

虽然非虚函数的效率比虚函数稍高，但不具备动态联编功能。

有关虚函数注意事项

我们已经讨论了虚函数的一些要点。

• 在基类方法的声明中使用关键字 virtual 可使该方法在基类以及所有的派生类（包括从派生类派生出来的类）中是虚的。
• 如果使用指向对象的引用或指针来调用虚方法，程序将使用为对象类型定义的方法，而不使用为引用或指针类型定义的方法。这称为动态联编或晚期联编。这种行为非常重要，因为这样基类指针或引用可以指向派生类对象。
• 如果定义的类将被用作基类，则应将那些要在派生类中重新定义的类方法声明为虚的。

对于虚方法，还需要了解其它一些知识，其中有的已经介绍过。下面来看看这些内容。

1. 构造函数
   构造函数不能是虚函数。创建派生类对象时，将调用派生类的构造函数，而不是基类的构造函数，然后，派生类的构造函数将使用基类的一个构造函数，这种顺序不同于继承机制。因此，派生类不继承基类的构造函数，所以将类构造函数声明为虚的没什么意义。
2. 析构函数
   析构函数应当是虚函数，除非类不用做基类。例如，假设Employee是基类，Singer 是派生类，并添加一个 char * 成员，该成员指向由 new 分配的内存。当 Singer 对象过期时，必须调用 ~Singer() 析构函数来释放内存。

   请看下面的代码

   Employee * pe = new Singer; // legal because Employee is base for Singer ... delete pe; // ~Employee() or ~Singer() ? 

   如果使用默认的静态联编， delete 语句将调用 ~Employee() 析构函数。这将释放由 Singer 对象中的 Employee 部分指向的内存，但不会释放新的类成员指向的内存。但如果析构函数是虚的，则上述代码将先调用 ~Singer() 析构函数释放由 Singer 组件指向的内存，然后，调用 ~Employee() 析构函数来释放由 Employee 组件指向的内存。

   这意味着，即使基类不需要显式析构函数提供服务，也不应依赖于默认析构函数，而应提供虚析构函数，即使它不执行任何操作：

   讯享网virtual ~BaseClass() { } 

3. 友元
   友元不能是虚函数，因为友元不是类成员，而只有成员才能是虚函数。如果由于这个原因引起了设计问题，可以通过让友元函数使用虚成员函数来解决。
4. 没有重新定义
   如果派生类没有重新定义函数，将使用该函数的基类版本。如果派生类位于派生链中，则将使用最新的虚函数版本，例外的情况是基类版本是隐藏的。
5. 重新定义将隐藏方法
   假设创建了如下所示的代码：

   class Dwelling{ public: virtual void showperks(int a) const; ... }; class Hovel : public Dwelling{ public: virtual void showperks() const; ... } 

   这将导致问题，可能会出现类似于下面这样的编译器警告：

   讯享网Warning: Hovel::showperks(void) hides Dwelling::showperks(int) 

   也可能不会出现警告。但不管结果怎样，代码将具有如下含义：

   Hovel trup; trump.showperks(); // valid trump.showperks(5); // invalid 

   讯享网class Dwelling{ public: // a base method virtual Dwelling & build(int n); ... }; class Hovel : public Dwelling{ public: // a derived method with a covariant return type virtual Hovel & build(int n); // sam function signature }; 

   class Dwelling{ public: // three overloaded showperks() virtual void showperks(int a) const; virtual void showperks(double x) const; virtual void showperks() const; ... }; class Hovel : public Dwelling{ // three redefined showperks() virtual void showperks(int a) const; virtual void showperks(double x ) const; virtual void showperks() const; ... }; 

   如果只重新定义一个版本，则另外两个版本将被隐藏，派生类对象将无法使用它们。注意，如果不需要修改，则新定义可只调用基类版本：

   讯享网void Hovel::showperks() const { Dwelling::showperks(); }