что такое виртуальные методы c

Виртуальные функции

Виртуальные функции — специальный вид функций-членов класса. Виртуальная функция отличается об обычной функции тем, что для обычной функции связывание вызова функции с ее определением осуществляется на этапе компиляции. Для виртуальных функций это происходит во время выполнения программы.

Виртуальная функция — это функция, которая определяется в базовом классе, а любой порожденный класс может ее переопределить. Виртуальная функция вызывается только через указатель или ссылку на базовый класс.

Указатель на базовый класс может указывать либо на объект базового класса, либо на объект порожденного класса. Выбор функции-члена зависит от того, на объект какого класса при выполнении программы указывает указатель, но не от типа указателя. При отсутствии члена порожденного класса по умолчанию используется виртуальная функция базового класса.

Результат выполнения

В терминологии ООП «объект посылает сообщение print и выбирает свою собственную версию соответствующего метода». Виртуальной может быть только нестатическая функция-член класса. Для порожденного класса функция автоматически становится виртуальной, поэтому ключевое слово virtual можно опустить.

Пример : выбор виртуальной функции

Результат выполнения

Чистая виртуальная функция

Чистая виртуальная функция — это метод класса, тело которого не определено.

В базовом классе такая функция записывается следующим образом:

Для рассмотренного выше примера (класс Фигура) функцию вычисления площади целесообразно задать чистой виртуальной функцией, которую переопределяет каждый наследуемый класс.
Строка 9 при этом будет иметь вид:

Источник

Виртуальные методы, свойства и индексаторы

Виртуальным называется такой метод, который объявляется как virtual в базовом классе. Виртуальный метод отличается тем, что он может быть переопределен в одном или нескольких производных классах. Следовательно, у каждого производного класса может быть свой вариант виртуального метода. Кроме того, виртуальные методы интересны тем, что именно происходит при их вызове по ссылке на базовый класс. В этом случае средствами языка C# определяется именно тот вариант виртуального метода, который следует вызывать, исходя из типа объекта, к которому происходит обращение по ссылке, причем это делается во время выполнения. Поэтому при ссылке на разные типы объектов выполняются разные варианты виртуального метода. Иными словами, вариант выполняемого виртуального метода выбирается по типу объекта, а не по типу ссылки на этот объект.

Так, если базовый класс содержит виртуальный метод и от него получены производные классы, то при обращении к разным типам объектов по ссылке на базовый класс выполняются разные варианты этого виртуального метода.

Переопределение метода служит основанием для воплощения одного из самых эффективных в C# принципов: динамической диспетчеризации методов, которая представляет собой механизм разрешения вызова во время выполнения, а не компиляции. Значение динамической диспетчеризации методов состоит в том, что именно благодаря ей в C# реализуется динамический полиморфизм.

Если при наличии многоуровневой иерархии виртуальный метод не переопределяется в производном классе, то выполняется ближайший его вариант, обнаруживаемый вверх по иерархии.

И еще одно замечание: свойства также подлежат модификации ключевым словом virtual и переопределению ключевым словом override. Это же относится и к индексаторам.

Давайте рассмотрим пример использования виртуальных методов, свойств и индексаторов:

Давайте рассмотрим данный пример более подробно. В базовом классе Font инкапсулируется виртуальный метод FontInfo (), возвращающий информацию о шрифте. В производном классе FontColor данный метод переопределяется с помощью ключевого слова override, поэтому при создании экземпляра данного класса и вызова метода FontInfo() в исходную информацию возвращается помимо первоначальных данных еще и цвет шрифта. Затем данный метод вновь переопределяется в классе GradientColorFont, унаследованном от класса FontColor. Обратите внимание, что здесь переопределяется не исходный метод базового класса Font, а уже переопределенный метод класса FontColor. В этом и заключается принцип динамического полиморфизма!

Так же обратите внимание, что в данном примере используется виртуальное свойство color, принцип использования которого аналогичен использованию виртуального метода.

Источник

virtual (Справочник по C#)

Ключевое слово virtual используется для изменения объявлений методов, свойств, индексаторов и событий и разрешения их переопределения в производном классе. Например, этот метод может быть переопределен любым наследующим его классом:

Реализацию виртуального члена можно изменить путем переопределения члена в производном классе. Дополнительные сведения об использовании ключевого слова virtual см. в разделах Управление версиями с помощью ключевых слов Override и New и Использование ключевых слов Override и New.

Remarks

При вызове виртуального метода тип времени выполнения объекта проверяется на переопределение члена. Вызывается переопределение члена в самом дальнем классе. Это может быть исходный член, если никакой производный класс не выполнял переопределение этого члена.

По умолчанию методы не являются виртуальными. Такой метод переопределить невозможно.

Действие виртуальных свойств аналогично виртуальным методам, за исключением отличий в синтаксисе объявлений и вызовов.

Использование модификатора virtual в статическом свойстве является недопустимым.

Пример

Следующая программа вычисляет и отображает соответствующую область для каждой фигуры путем вызова нужной реализации метода Area() в соответствии с объектом, связанным с методом.

Спецификация языка C#

Дополнительные сведения см. в спецификации языка C#. Спецификация языка является предписывающим источником информации о синтаксисе и использовании языка C#.

Источник

Урок №163. Виртуальные функции и Полиморфизм

Обновл. 15 Сен 2021 |

На предыдущем уроке мы рассматривали ряд примеров, в которых использование указателей или ссылок родительского класса упрощало логику и уменьшало количество кода.

Виртуальные функции и Полиморфизм

Тем не менее, мы сталкивались с проблемой, когда родительский указатель или ссылка вызывали только родительские методы, а не дочерние. Например:

rParent is a Parent

На этом уроке мы рассмотрим, как можно решить эту проблему с помощью виртуальных функций.

Виртуальная функция в языке С++ — это особый тип функции, которая, при её вызове, выполняет «наиболее» дочерний метод, который существует между родительским и дочерними классами. Это свойство еще известно, как полиморфизм. Дочерний метод вызывается тогда, когда совпадает сигнатура (имя, типы параметров и является ли метод константным) и тип возврата дочернего метода с сигнатурой и типом возврата метода родительского класса. Такие методы называются переопределениями (или «переопределенными методами»).

Чтобы сделать функцию виртуальной, нужно просто указать ключевое слово virtual перед объявлением функции. Например:

rParent is a Child

Рассмотрим пример посложнее:

Как вы думаете, какой результат выполнения этой программы?

Рассмотрим всё по порядку:

Сначала создается объект c класса C.

Вызов rParent.GetName() приводит к вызову A::getName(). Однако, поскольку A::getName() является виртуальной функцией, то компилятор ищет «наиболее» дочерний метод между A и C. В этом случае — это C::getName().

Обратите внимание, компилятор не будет вызывать D::getName(), поскольку наш исходный объект был класса C, а не класса D, поэтому рассматриваются методы только между классами A и C.

Результат выполнения программы:

Более сложный пример

Рассмотрим класс Animal из предыдущего урока, добавив тестовый код:

Результат выполнения программы:

А теперь рассмотрим тот же класс, но сделав метод speak() виртуальным:

Результат выполнения программы:

Matros says Meow
Barsik says Woof

Обратите внимание, мы не сделали Animal::GetName() виртуальной функцией. Это из-за того, что GetName() никогда не переопределяется ни в одном из дочерних классов, поэтому в этом нет необходимости.

Аналогично со следующим примером с массивом животных:

Matros says Meow
Barsik says Woof
Ivan says Meow
Tolik says Woof
Martun says Meow
Tyzik says Woof

Несмотря на то, что эти два примера используют только классы Cat и Dog, любые другие дочерние классы также будут работать с нашей функцией report() и с массивом животных, без внесения дополнительных модификаций! Это, пожалуй, самое большое преимущество виртуальных функций — возможность структурировать код таким образом, чтобы новые дочерние классы автоматически работали со старым кодом, без необходимости внесения изменений со стороны программиста!

Предупреждение: Сигнатура виртуального метода дочернего класса должна полностью соответствовать сигнатуре виртуального метода родительского класса. Если у дочернего метода будет другой тип параметров, нежели у родительского, то вызываться этот метод не будет.

Использование ключевого слова virtual

Если функция отмечена как виртуальная, то все соответствующие переопределения тоже считаются виртуальными, даже если возле них явно не указано ключевое слова virtual. Однако, наличие ключевого слова virtual возле методов дочерних классов послужит полезным напоминанием о том, что эти методы являются виртуальными, а не обычными. Следовательно, полезно указывать ключевое слово virtual возле переопределений в дочерних классах, даже если это не является строго необходимым.

Типы возврата виртуальных функций

Типы возврата виртуальной функции и её переопределений должны совпадать. Рассмотрим следующий пример:

В этом случае Child::getValue() не считается подходящим переопределением для Parent::getValue(), так как типы возвратов разные (метод Child::getValue() считается полностью отдельной функцией).

Не вызывайте виртуальные функции в теле конструкторов или деструкторов

Вот еще одна ловушка для новичков. Вы не должны вызывать виртуальные функции в теле конструкторов или деструкторов. Почему?

Помните, что при создании объекта класса Child сначала создается родительская часть этого объекта, а затем уже дочерняя? Если вы будете вызывать виртуальную функцию из конструктора класса Parent при том, что дочерняя часть создаваемого объекта еще не была создана, то вызвать дочерний метод вместо родительского будет невозможно, так как объект child для работы с методом класса Child еще не будет создан. В таких случаях, в языке C++ будет вызываться родительская версия метода.

Аналогичная проблема существует и с деструкторами. Если вы вызываете виртуальную функцию в теле деструктора класса Parent, то всегда будет вызываться метод класса Parent, так как дочерняя часть объекта уже будет уничтожена.

Правило: Никогда не вызывайте виртуальные функции в теле конструкторов или деструкторов.

Недостаток виртуальных функций

«Если всё так хорошо с виртуальными функциями, то почему бы не сделать все методы виртуальными?» — спросите Вы. Ответ: «Это неэффективно!». Обработка и выполнение вызова виртуального метода занимает больше времени, чем обработка и выполнение вызова обычного метода. Кроме того, компилятор также должен выделять один дополнительный указатель для каждого объекта класса, который имеет одну или несколько виртуальных функций.

Какой результат выполнения следующих программ? Не нужно запускать/выполнять следующий код, вы должны определить результат, без помощи своих IDE.

Источник

Виртуальные функции в C++ (virtual functions)

В С++ виртуальные функции (virtual functions) позволяют использовать полиморфизм (polymorhpism) классов. Так как виртуальные функции могут использоваться только внутри классов, то иногда их называют виртуальными методами (virtual methods). Прежде чем воспользоваться виртуальными методами, мы рассмотрим работу обычных методов класса.

Статическое или раннее связывание (static/early binding)

Давайте разберёмся, как происходит вызов обычных функций и методов классов. Вызов обычных функций и методов происходит через механизм, называемый статическим (статичным) связыванием (static binding) или ранним связыванием (early binding).

Раннее связывание использовалось во всех функциях и методах наших программ за исключением тех случаев, где мы использовали указатели на функции.

Когда мы запускаем сборку (building) программы, компилятор просматривает исходный код и превращает все операторы в команды процессора. Допустим, в коде встречается вызов какой-нибудь функции:

Если это обычная функция (не указатель на функцию), то при вызове используется механизм раннего связывания.

Во время компиляции для кода (определения) функции выделяется память, и назначаются адреса для каждого оператора. Первый адрес в определении (теле функции) является адресом функции. При вызове someFunction, процессор будет переходить на адрес функции и начнёт выполнять тело функции. Самое важное здесь то, что адрес функции назначается во время компиляции, и именно этот адрес используется при вызове функции. Это и есть раннее или статичное связывание. Т.е. имя функции крепко привязано к адресу функции.

Теперь взглянем на небольшой пример:

На экран будет выведено две строки Базовый класс. На этапе компиляции память выделяется для двух копий Method – для базового класса и для производного. Оба адреса привязываются к именам методов: Base::Method, Derived::Method. Т.е. когда в коде мы вызываем Method, то вызывается метод, соответствующий типу объекта. Чтобы увидеть, что для каждого объекта вызывается свой метод, давайте переопределим метод Derived::Method:

Здесь хорошо видно, что вызываются два разных метода. Теперь следующий пример. Определения классов оставим без изменений. Поработаем с указателями:

Самое важное здесь то, что компилятор спокойно “проглатывает” тот факт, что указатель на Base указывает на производный класс. Дело в том, что базовый и производный классы являются совместимыми по типу.

Во время выполнения программы процессор видит, что b – это указатель на Base. Процессор не обращает внимание, что на самом деле этот указатель указывает на объект Derived. При вызове метода объекта b процессор переходит к адресу Base::Method.

Чтобы объект b вызвал метод Derived::Method, нужно привести тип. Например, так:

Это примеры раннего связывания (статического).

Обратите внимание, что в этом примере мы помещали в указатель на Base объект Derived, а не наоборот:

Этот случай нам не интересен. К тому же при компиляции возникнет ошибка – здесь нужно использовать static_cast или dynamic_cast. Практическое применение имеет только случай, когда Base* указывает на Derived. В этом случае появляется возможность использовать полиморфизм (polymorphism).

Полиморфизм (polymorphism) и полиморфные типы (polymorphic types)

Рассмотрим гипотетическую ситуацию: в игре есть несколько типов монстров. Все монстры могут атаковать (attack) и перемещаться (move). При этом каждый вид монстров делает это по своему: у кого-то есть только когти, а у кого-то за пазухой припрятан гранатомёт. move и attack мы можем поместить в базовый для всех монстров класс:

Неплохо было бы иметь возможность хранить объекты всех этих классов вместе и использовать одинаковый синтаксис для вызова методов этих классов. Это и есть полиморфизм (polymorphism) – много (от греческого поли) форм (от греческого морф). Т.е. объекты этих классов должны храниться в одном массиве.

Понятно, что для этого не годится массив объектов, так как в таком массиве для элементов выделяется фиксированное количество памяти. Соответственно, для поддержки полиморфизма нужно использовать массив указателей. Какой тип указателей выбрать? Как мы выяснили раньше, в указателе на базовый тип можно хранить объект любого производного типа – базовый и производный классы являются совместимыми по типу. Почему используется указатели именно на базовый тип? Потому что это более общий класс и от него наследуют все производные классы.

Классы, используемые для получения эффекта полиморфизма, называют полиморфными типами (polymorphic types).

В C++ полиморфизм реализуется через виртуальные функции. Но прежде чем добавлять виртуальные функции к классам, мы рассмотрим динамическое связывание.

Позднее/динамическое связывание (late/dynamic binding)

Поздним связыванием в C++ обладают указатели на функции (function pointers). Мы их уже разбирали, поэтому сложностей возникнуть не должно. Сразу пример:

someFunction обладает ранним связыванием. Т.е. на этапе компиляции для этой функции выделяется участок памяти, а первый адрес этого участка становится адресом функции. Адрес функции жёстко привязан к имени функции – их нельзя отделить.

functionPointer обладает динамическим (dynamic) или поздним связыванием (late binding). На какую функцию указывает этот указатель, становится известно только во время выполнения программы. При этом functionPointer может указывать на любую функцию, т.е. значение указателя functionPointer может меняться во время выполнения программы. Это и есть позднее связывание.

Ещё одним примером позднего связывания в C++ являются виртуальные функции (virtual functions). На самом деле виртуальные методы – это обычные указатели на функции. Но об этом чуть позже.

Виртуальные функции/методы (virtual functions/methods)

Чтобы объявить функцию как виртуальную, необходимо добавить ключевое слово virutal перед именем возвращаемого типа:

Вносить изменения в производные классы не нужно. Хотя можно и там добавить ключевое слово virtual (это не обязательно). Теперь посмотрим на наш код:

То что нужно! Теперь вызывается метод того класса, на который на самом деле указывает указатель. Наконец-то мы можем создать массив указателей на базовый класс и размещать там объекты любого производного класса:

Несколько замечаний по виртуальным функциям:

Как видите, пользоваться виртуальными методами очень просто. Теперь давайте разберёмся, какие механизмы стоят за виртуальными функциями.

Таблица виртуальных функций (virtual function table)

Рассмотрим простой код:

Функции Base::vf и Derived::vf являются виртуальными. Об этом говорит ключевое слово virtual в базовом классе. А производный класс наследует это свойство для своего метода.

Для виртуальных методов память выделяется точно так же, как и для обычных: на этапе компиляции под эти методы выделяются участки памяти, первые адреса которых являются адресами методов. Но так как методы виртуальные, то фактические адреса метода не привязывается к именам: Base::vf и Derived::vf. Адрес метода, который назначается на этапе компиляции при выделении памяти, будем называть настоящим (или фактическим) адресом.

Когда в базовом классе объявляется хотя бы одна виртуальная функция, то для всех полиморфных классов создаётся таблица виртуальных функций (virtual function table).

Встречаются разные названия этой таблицы: virtual function table, virtual method table, vtable, vftable.

Таблица виртуальных функций – это одномерный массив указателей на функции. Количество элементов в массиве равно количеству виртуальных функций в классе.

Для каждого полиморфного класса (базового и всех производных) создаётся своя таблица виртуальных методов. Количество элементов во всех этих таблицах одинаковое.

Именно в таблице виртуальных функций записываются настоящие адреса методов, т.е. элемент таблицы является указателем на функцию. Для всех полиморфных классов таблицы виртуальных функций будут содержать разные значения. Для каждого класса здесь будут записаны адреса методов данного класса.

Помимо создания виртуальной таблицы функций, в базовом классе объявляется поле __vfptr – указатель на vtable. Конечно же, этот указатель наследуется всеми производными классами. __vfptr можно увидеть при отладке.

__vfptr объекта указывает на vtable класса, которому принадлежит объект.

Рассмотрим пример. Допустим, в базовом классе определено две функции: f – не виртуальная и vf – виртуальная:

В данном случае компилятор не обращает внимания, объект какого типа на самом деле хранится в object. Компилятор смотрит на тип укзаталя и вызывает соответствующий метод – Base::f().

В данном случае процессор видит, что vf – виртуальный метод. Поэтому он ищет в таблице виртуальных функций нужную запись. Но адрес таблицы виртуальных функций он узнаёт через __vfptr, а этот указатель указывает на таблицу своего класса. Соответственно, будет вызван метод того класса, чей объект вызывает метод vf.

Обратите внимание, что в обоих случаях компилятор отдыхает – он даже не пытается проверить тип объекта, на который указывает указатель. Просто при раннем и позднем связывании методы классов вызываются по-разному.

Виртуальный деструктор (virtual destructor)

Как мы видели в примере выше, при использовании обычных функций вызывается функция базового класса. Это же относится и к деструктору. Если в коде вы используете полиморфизм, то всегда объявляйте деструктор базового класса виртуальным. Иначе, при уничтожении всех объектов будет вызываться деструктор базового класса. Вот так правильно:

Хотя, в данном примере это не имеет значения – в данном деструкторе (и в деструкторах производных классов) ничего не происходит.

Абстрактные классы (abstract classes) и чистые виртуальные функции (pure virtual functions)

Очень часто в программах не требуется создавать объекты базовых классов. Т.е. базовые классы нужны только для того, чтобы построить иерархию классов и определить общие свойства для производных классов. Такие классы можно сделать абстрактными (abstract class). При попытке создания объекта абстрактного класса, компилятор выдаст ошибку.

Чтобы сделать класс абстрактным, нужно объявить одну из виртуальных функций чистой.

Чистая виртуальная функция (pure virtual function) как бы намекает, что она будет реализована в производных классах.

Чтобы сделать виртуальную функцию чистой (pure), нужно добавить после заголовка функции символы =0 (знак равенства и ноль):

В данном случае уже не нужно писать определение такой функции. Помимо этого теперь нельзя создавать объекты класса Base, так как он стал абстрактным.

Символы =0 необязательно добавлять ко всем виртуальным функциям, достаточно добавить к одной.

Заключение

Работу функций трудно объяснить, используя язык программирования высокого уровня. Наиболее просто это сделать с помощью ассемблера, которого мы пока ещё не знаем.

В заключении я попытаюсь кратко резюмировать материал урока.

При вызове обычной функции во время выполнения программы, подставляется её адрес, который был присвоен на этапе компиляции. Это раннее или статическое связывание (early/static binding).

При использовании указателя на функцию, в нём хранится адрес фактического местоположения реальной функции. Этот адрес был назначен на этапе компиляции (абзац выше), но указатель может менять своё значение во время выполнении программы. Это позволяет вызывать с помощью указателя разные функции. Это пример позднего/динамического связывания (late/dynamic binding). Ещё одним примером позднего связывания являются виртуальные функции.

Виртуальные функции объявляются с помощью ключевого слова virtual в базовом классе. При этом для базового класса и для всех производных создаётся таблица указателей на функции – виртуальная таблица методов/функций (virtual function table или vtable). Для каждого класса создаётся своя таблица. Количество элементво в таблице равно количеству виртуальных методов. В таблице хранятся фактические адреса методов, определённых в классах. Также в базовом классе объявляется дополнительное поле __vfptr (наследуется всеми производными классами) – указатель на таблицу виртуальных функций класса. Т.е. когда создаётся объект самого класса или любого производного, в нём __vfptr присваивается адрес таблицы виртуальных функций этого класса (или производных).

Виртуальные функции нужны в C++ для поддержки полиморфизма. Полиморфизм позволяет использовать одинаковый синтаксис для разных классов:

Copyright 2021. All rights reserved.

Источник