Механизм позднего связывания

Для каждого класса (не объекта!), содержащего хотя бы один виртуальный метод, компилятор создает таблиг^у виртуальных методов (vtbl), в которой для каждого виртуального метода записан его адрес в памяти. Адреса методов содержатся в таблице в порядке их описания в классах. Адрес любого виртуального метода имеет в vtbl одно и то же смещение для каждого класса в пределах иерархии. Каждый объект содержит скрытое дополнительное поле ссылки на vtb1, называемое vptr. Оно заполняется конструктором при создании объекта (для этого компилятор добавляет в начало тела конструктора соответствующие инструкции). На этапе компиляции ссылки на виртуальные методы заменяются на обращения к vtbl через vptr объекта, а на этапе выполнения в момент обращения к методу его адрес выбирается из таблицы. Таким образом, вызов виртуального метода, в отличие от обычных методов и функций, выполняется через дополнительный этап получения адреса метода из таблицы. Это несколько замедляет выполнение программы.

Рекомендуется делать виртуальными деструкторы для того, чтобы гарантировать правильное освобождение памяти из-под динамического объекта, поскольку в этом случае в любой момент времени будет выбран деструктор, соответствующий фактическому типу объекта. Деструктор передает операции delete размер объекта, имеющий тип size_t. Если удаляемый объект является производным и в нем не определен виртуальный деструктор, передаваемый размер объекта может оказаться неправильным.

Четкого правила, по которому метод следует делать виртуальным, не существует. Можно только дать рекомендацию объявлять виртуальными методы, для которых есть вероятность, что они будут переопределены в производных классах.

Методы, которые во всей иерархии останутся неизменными или те, которыми производные классы пользоваться не будут, делать виртуальными нет смысла. С другой стороны, при проектировании иерархии не всегда можно предсказать, каким образом будут расширяться базовые классы (особенно при проектировании библиотек классов), а объявление метода виртуальным обеспечивает гибкость и возможность расширения.

Для пояснения последнего тезиса представим себе, что вызов метода draw осуществляется из метода перемещения объекта. Если текст метода перемещения не зависит от типа перемещаемого объекта (поскольку принцип перемещения всех объектов одинаков, а для отрисовки вызывается конкретный метод), переопределять этот метод в производных классах нет необходимости, и он может быть описан как невиртуальный. Если метод draw виртуальный, метод перемещения сможет без перекомпиляции работать с объектами любых производных классов — даже тех, о которых при его написании ничего известно не было.

Виртуальный механизм работает только при использовании указателей или ссылок на объекты. Объект, определенный через указатель или ссылку и содержащий виртуальные методы, называется полиморфным. В данном случае полиморфизм состоит в том, что с помощью одного и того же обращения к методу выполняются различные действия в зависимости от типа, на который ссылается указатель в каждый момент времени.

Абстрактные классы.

Класс, содержащий хотя бы один чисто виртуальный метод, называется абстрактным. Абстрактные классы предназначены для представления общих понятий, которые предполагается конкретизировать в производных классах. Абстрактный класс может использоваться только в качестве базового для других классов — объекты абстрактного класса создавать нельзя, поскольку прямой или косвенный вызов чисто виртуального метода приводит к ошибке при выполнении.

При определении абстрактного класса необходимо иметь в виду следующее:

• абстрактный класс нельзя использовать при явном приведении типов, для описания типа параметра и типа возвращаемого функцией значения;

• допускается объявлять указатели и ссылки на абстрактный класс, если при инициализации не требуется создавать временный объект;

• если класс, производный от абстрактного, не определяет все чисто виртуальные функции, он также является абстрактным. Таким образом, можно создать функцию, параметром которой является указатель на абстрактный класс. На место этого параметра при выполнении программы может передаваться указатель на объект любого производного класса. Это позволяет создавать полиморфные функции^ работающие с объектом любого типа в пределах одной иерархии.

На языке программирования C++ абстрактный класс объявляется включением хотя бы одной чистой виртуальной функции, типа virtual _сигнатура_функции_ =0;, которая как и другие может быть заменена. Пример на языке программирования C++:

#include <iostream>

class CA { // Абстрактный класс

public:

CA (void) { std::cout << "This object of the class "; }

virtual void Abstr (void) = 0; // Чистая (пустая) виртуальная функция.

void fun (void) { std::cout << "Реализация не будет наследоваться!"; }

~CA () { std::cout << "." << std::endl; } //Вызывается в обр. порядке конструкторов

};

class CB: public CA {

public:

CB (void) { std::cout << "CB;"; }

void Abstr (void){ std::cout << " call function cb.Abstr();"; } //Подменяющая функция.

void fun (void){ std::cout << " call function cb.fun()"; }

~CB () {} // Неверно для абстр. кл. ~CB(){ ~CA(); }

};

class CC: public CA {

public:

CC (void) { std::cout << "CC;"; }

void Abstr (void) { std::cout << " call function cc.Abstr();"; } //Подменяющая функция.

void fun (void) { std::cout << " call function cc.fun()"; }

~CC () {} // Неверно для абстр. кл. ~CC(){ ~CA(); }

};

int main () {

std::cout << "Program:" << std::endl;

CB cb;

cb.Abstr(); cb.fun(); cb.~CB();

CC cc;

cc.Abstr(); cc.fun(); cc.~CC();

return 0;

}

Результат работы программы:

Program:

This object of the class CB; call function cb.Abstr(); call function cb.fun().

This object of the class CC; call function cc.Abstr(); call function cc.fun().