ВИРТУАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ

Раннее и позднее связывание. Динамический полиморфизм

В C++ полиморфизм поддерживается двумя способами. Во-первых, при компиляции он поддерживается посредством перегрузки функций и операторов. Такой вид полиморфизма называется статическим полиморфизмом, поскольку он реализуется еще до выполнения программы, путем раннего связывания идентификаторов функций с физическими адресами на стадии компиляции и компоновки.

Во-вторых, во время выполнения программы он поддерживается посредством виртуальных функций. Встретив в коде программы вызов виртуальной функции, компилятор (а, точнее, – компоновщик) только обозначает этот вызов, оставляя связывание идентификатора функции с ее адресом до стадии выполнения. Такой процесс называется поздним связыванием.

Виртуальная функция – это функция, вызов которой (и выполняемые при этом действия) зависит от типа объекта, для которого она вызвана. Объект определяет, какую функцию нужно вызвать уже во время выполнения программы. Этот вид полиморфизма называется динамическим полиморфизмом.

Основой динамического полиморфизма является предоставляемая C++ возможность определить указатель на базовый класс, который реально будет указывать не только на объект этого класса, но и на любой объект производного класса. Эта возможность возникает благодаря наследованию, поскольку объект производного класса всегда является объектом базового класса. Во время компиляции еще не известно, объект какого класса захочет создать пользователь, располагая указателем на объект базового класса. Такой указатель связывается со своим объектом только во время выполнения программы, то есть динамически. Класс, содержащий хоть одну виртуальную функцию, называется полиморфным.

Для каждого полиморфного типа данных компилятор создает таблицу виртуальных функций и встраивает в каждый объект такого класса скрытый указатель на эту таблицу. Она содержит адреса виртуальных функций соответствующего объекта. Имя указателя на таблицу виртуальных функций и название таблицы зависят от реализации в конкретном компиляторе. Например, в Visual C++ 6.0 этот указатель имеет имя vfptr, а таблица называется vftable (от английского Virtual Function Table). Компилятор автоматически встраивает в начало конструктора полиморфного класса фрагмент кода, который инициализирует указатель на таблицу виртуальных функций. Если вызывается виртуальная функция, код, сгенерированный компилятором, находит указатель на таблицу виртуальных функций, затем просматривает эту таблицу и извлекает из нее адрес соответствующей функции. После этого производится переход на указанный адрес и вызов функции.

Напомним, что при создании объекта производного класса вначале вызывается конструктор его базового класса. На этой стадии создается и таблица виртуальных функций, а также указатель на нее. После вызова конструктора производного класса указатель таблицу виртуальных функций настраивается таким образом, чтобы он ссылался на переопределенный вариант виртуальной функции (если такой есть), существующий для объекта этого класса.

В связи с этим нужно отдавать себе отчет в той цене, которую приходится платить за возможность использования позднего связывания.

Поскольку объекты с виртуальными функциями должны поддерживать и таблицу виртуальных функций, то их использование всегда ведет к некоторому повышению затрат памяти и снижению быстродействия программы. Если вы работаете с небольшим классом, который не собираетесь делать базовым для других классов, то в этом случае нет никакого смысла в использовании виртуальных функций.

Виртуальные функции

Функции, у которых известен интерфейс вызова (то есть прототип), но реализация не может быть задана в общем случае, а может быть определена только для конкретных случаев, называются виртуальными (термин, означающий, что функция может быть переопределена в производном классе).

Виртуальные функции – это функции, которые гарантируют, что будет вызвана правильная функция для объекта безотносительно к тому, какое выражение используется для осуществления вызова.

Предположим, что базовый класс содержит функцию, объявленную виртуальной, и производный класс определяет ту же самую функцию. В этом случае функция из производного класса вызывается для объектов производного класса, даже если она вызывается с использованием указателя или ссылки на базовый класс. Пример: