讓我們直切正題:在程序進行構造或析構期間,你絕不能調用虛函數,這是因為這樣的調用并不會按你所期望的執行,即使能夠順利執行,你也不會覺得十分舒服。如果你曾經是一個Java或C#的程序員,并且在最近期望返回C++的懷抱,那么請你格外留意本條目,因為在這一問題上,C++與其他語言走的是完全不同的兩條路線。
假設有一個股票交易模擬系統,你為它編寫了一個類的層次化結構,其中包括實現購買、拋售等功能的類。這類交易應該是可以審計的,這一點很重要,所以說每創建一次交易時,都應該在日志中創建一條審計相關內容的記錄。下面是一個看似合理的解決方案:
class Transaction { // 所有交易的基類
public:
Transaction();
virtual void logTransaction() const = 0; // 作類型相關的記錄
...
};
Transaction::Transaction() // 基類構造函數的實現
{
...
logTransaction(); // 最后,記錄這次交易
}
class BuyTransaction: public Transaction { // 派生類
public:
virtual void logTransaction() const; // 當前類型交易是如何記錄的
...
};
class SellTransaction: public Transaction { // 派生類
public:
virtual void logTransaction() const; // 當前類型交易是如何記錄的
...
};
請考慮一下在下邊的代碼運行時會發生什么:
很明顯的是此時BuyTransaction的構造函數將被調用,但是,首先必須調用Transaction的構造函數。對于一個派生的對象,其基類那一部分會首先得到構造,然后才是派生類的部分。Transaction的構造函數中最后一行調用了虛函數logTransaction,意外的事情就從這里發生了:此處調用的是Translation版本的logTransaction函數,而不是BuyTransaction版本的——即使此處創建的對象是BuyTransaction類型的。在基類部分的構造過程中,虛函數永遠也不會嘗試去匹配派生類部分。取而代之的是,對象仍然保持基類的行為。更隨意一點的說法是,在基類部分構造的過程中,虛函數并不會被構造。
這一行為看上去匪夷所思,但是這里有很充足的理由來解釋它。由于基類的構造函數先于派生類運行,在基類構造函數運行的時候,派生類的數據成員還沒有被初始化。如果在基類構造函數向下匹配派生類時調用了虛函數,那么基類的函數幾乎一定會調用局部數據成員,但此時這些數據成員此時尚未得到初始化。你的程序將會出現無盡的未定義行為,你也會在整夜受到瑣碎的調試工作的折磨。當一個對象中某些部分尚未初始化的時候,此時對其進行調用會存在內在的危險,所以C++不允許你這樣做。
實際情況比上文介紹的更為基礎。對于一個派生類的對象來說,在其進行基類部分構造工作的時候,這一對象的類型就是基類的。不僅僅虛函數會解析為基類的,而且C++中“使用運行時類型信息”的部分(比如dynamic_cast(參見條目27)和typeid)也會將其看作基類類型的對象。在我們的示例中,當調用Transaction的構造函數以初始化一個BuyTransaction對象的基類部分時,這一對象是Transaction類型的。C++的任何一部分都會這樣處理,這種處理方式是有意義的:由于這個對象的BuyTransaction部分尚未得到初始化,所以假定它們不存在才是最安全的處理方法。對于一個派生類對象來說,只有派生類的構造函數開始執行,這個對象才會變成該派生類的對象。
對于析構過程可以應用同樣的推理方式。一旦派生類的析構函數運行完畢,對象中派生類的那一部分數據成員將取得未定義的值,所以C++會認為它們不再存在。在進入基類的析構函數時,這個對象將成為一個基類對象,C++的所有部分——包括虛函數、dynamic_cast等等——都會這樣對待該對象。
在上文的示例代碼中,Transaction的構造函數對一個虛函數進行了一次直接調用,很顯然這樣做是違背本條中的指導方針的。這樣的違規實在太容易發現了,一些編譯器都會對其做出警告。(其他一些則不會。參見條目53對編譯器警告信息的討論)即使沒有警告,問題也一定會在運行之前變得很明顯,這是因為Transaction中的logTransaction函數是純虛函數,除非它得到了定義(不像是真的,但存在這種可能,參見條目34),程序才有可能會得到連接,其他情況都會報錯:連接器無法找到必要的Transaction::logTransaction的具體實現。
查找構造或析構過程中對虛函數的調用并不總是一帆風順的。如果Transaction擁有多個構造函數,它們所進行的工作中有一部分是相同的,那么可以將這些公共的初始化代碼(包括對logTransaction的調用)放入一個私有的非虛擬的初始化函數中,這樣做可以避免代碼重復,從軟件工程角度來講這似乎是一個很好的做法,我們將這一函數命名為init:
class Transaction {
public:
Transaction()
{ init(); } // 調用非虛函數...
virtual void logTransaction() const = 0;
...
private:
void init()
{
...
logTransaction(); // ...而它卻調用一個虛函數!
}
};
這樣的代碼與前文中的版本使用的是同一理念,但是這樣做所帶來的危害更為隱蔽和嚴重,這是因為這樣的代碼會得到正常的編譯和連接而不會報錯。這種情況下,由于logTransaction是Transaction中的一個純虛函數,大多數運行時系統將會在調用這個純虛函數時中止程序(通常情況下會針對這一結果顯示出一個消息)。然而如果logTransaction是一個“正常的”虛函數(也就是說,不是純虛的),并且在Transaction中給出了一些實現,那么此時將調用這一版本的logTranscation,程序將會“愉快地一路小跑”下去,至于為什么在創建派生類對象時會調用錯誤的logTransaction版本,程序可就不管這一套了。避免這類問題的唯一途徑就是:在正在創建或銷毀的對象的構造函數和析構函數中,確保永遠不要調用虛函數,對于構造函數和析構函數所調用的所有函數都應遵守這一約定。
那么,每當創建一個Transaction層次結構中的對象時,如何確保去調用正確的logTransaction版本呢?顯然地,在Transaction的構造函數中調用一個虛函數是一個錯誤的做法。
為解決這一問題我們可以另辟蹊徑。方案之一就是:將Transaction中的logTransaction變為一個非虛函數,然后要求派生類的構造函數把必要的日志記錄傳遞給Transaction的構造函數。這個構造函數對于非虛logTransaction的調用就是安全的。就像這樣:
class Transaction {
public:
explicit Transaction(const std::string& logInfo);
void logTransaction(const std::string& logInfo) const;
// 現在logTransaction是非虛函數
...
};
Transaction::Transaction(const std::string& logInfo)
{
...
logTransaction(logInfo); // 現在調用的是一個非虛函數
}
class BuyTransaction: public Transaction {
public:
BuyTransaction( parameters )
: Transaction(createLogString( parameters ))
{ ... } // 將記錄傳遞給基類構造函數
...
private:
static std::string createLogString( parameters );
};
換句話說,你不能使用虛函數在基類構造過程中向下調用派生類的部分,作為一種補償,你可以讓派生類將一些必要的構造信息向上傳遞給基類的構造函數。
請注意上述示例里BuyTransaction類中(私有的)靜態函數createLogString的使用。這里使用了一個輔助函數創建一個值來傳遞給基類的構造函數,通常情況下這樣做更為方便(而且更具備可讀性),這樣做使為基類提供所需信息的成員初始化表變得更加直觀。這是因為這樣做解決了“為基類提供所需信息的成員初始化表”不直觀的問題。意外調用初生的BuyTransaction對象中那些尚未初始化的數據成員是十分危險的,由于createLogString是靜態的,此處便不存在這一危險。這一點很重要,因為這些數據成員正處于未定義的狀態,這一事實便解釋了為什么“在基類部分構造或析構期間調用虛函數,不會在第一時間向下匹配派生類”。
時刻牢記
l 不要在構造和析構的過程中調用虛函數,因為這樣的調用永遠不會轉向當前執行的析構函數或構造函數更深層的派生類中執行。