Effective C++ 读书笔记 Item7 为多态基类声明 virtual 析构函数

朱雀 2020-07-11 16:48 1039阅读 1赞

**析构函数**(destructor)用来释放对象所占用的资源。当对象的使用周期结束后，例如当某对象的范围(scope)结束时，或者是动态分配的对象被delete关键字解除资源时，对象的析构函数会被自动调用，对象所占用的资源就会被释放。以及像第五章讲过的，假如在你的类中不声明析构函数，编译器也会为你自动生成一个。

**多态**(polymorphism)则是C++面向对象的基本思想之一，即抽象(abstraction)，封装(encapsulation)，继承(inheritance)，多态(polymorphism)。如果我们希望仅仅通过基类指针就能操作它所有的子类对象，那这就是多态。

对于多态基类，我们来看如下栗子:

class TimeKeeper{                              //计时器类，用来当做基类
      public:
        TimeKeeper();                              //这是构造函数
        ~TimeKeeper();                             //这是析构函数
      ......
    };
    
    class AtomicClock : public TimeKeeper{...};   //原子钟是一种计时器
    class WaterClock : public TimeKeeper{...};    //水钟也是一种计时器
    
    TimeKeeper* getTimeKeeper(){...}              //用来返回一个动态分配的基类对象
    TimeKeeper* ptk = getTimeKeeper();            
    .....                                         //使用这个指针操作它的子类
    delete ptk;                                   //使用完毕，释放资源

C++的new与delete可以说是非常的令人头疼，稍不注意就会**内存泄漏**(memory leak)。而且其实并不像课里教的一样，只要new与delete配对就没问题。上面的问题new与delete配对了，但依然会造成内存泄漏。

**析构函数声明为虚函数恐怕是面试中最常见的问题之一。目的在于以基类指针调用析构函数时能够正确地析构子类部分的内存。 否则子类部分的内存将会泄漏**

如上代码的问题在于，当你通过基类指针使用子类，使用完毕后却只从基类删除。同时这个基类的析构函数并不是虚函数(virtual)，也就是不允许子类有自己版本的析构函数，这样就只能删除子类中基类的部分，而子类衍生出来的变量和函数所占用的资源并没有被释放，这就造成了这个对象只被释放了一部分资源的现象，依然会导致内存泄漏。

**解决方法:** 给基类一个虚的析构函数，这样子类就允许拥有自己的析构函数，就能保证被占用的所有资源都会被释放。

class TimeKeeper{
      public:
        virtual ~TimeKeeper();
      ....
    };

其实作为一个多态的基类，不仅仅析构函数要声明为虚函数，如果想让不同的子类用不同的方法实现同一个函数，这个函数也要被声明为虚。换言之，大多数情况下，如果没有虚函数，这个类就不应该被用作一个基类。但也有少数例外会在后面提到。

但是！如果不用来当做基类，随便把它的析构函数声明为虚函数不是不必要，而是不好！

我们首先需要理解**虚函数**是怎么工作的:

虚函数是用来在运行时(runtime)，自动把编译时未知的对象，比如用户输入的对象，和它所对应的函数绑定起来并调用。当一个类包含虚函数时，编译器会给这个类添加一个隐藏变量，即虚函数表指针(virtual table pointer)，用来指向一个包含函数指针的数组，即虚函数表(virtual table)。当一个虚函数被调用时，具体调用哪个函数就可以从这个表里找了。

问题在于，这个变量也是要占空间的！例如在32位系统里，一个地址占32位，那么这个变量就要占32位，而在64位系统就要占用64位。再举个栗子:

class Point{
      public:
        Point(...);
        ~Point();
      private:
        int x;
        int y;
    };

这样一个Point的类包含两个整型，因此一个对象要占64位。但如果把析构函数声明为虚函数，在32位系统里就要多占32位，在64位系统里就要多占64位，那么它所占用的空间直接增大了50%到100%。这样一来，对象就刚好不能用一个64位的寄存器装下了。

另外，别的语言并没有C++这样的函数表指针，不知道怎么处理这个变量，所以就不能把这个对象从C++传到别的语言的程序里了。因此盲目声明虚函数也会给多语言项目带来不必要的麻烦。

现在程序员矮凳想秀一波操作，因为标准库的功能实在强大，直接拿过来用再加一点自己的功能岂不美哉？于是有了如下的类:

class SpecialString : public std::string{...};      //某个继承自标准字符串的类
    
    SpecialString* pss = new SpecialString("Hi");
    std::string* ps;
    ...
    ps = pss;
    delete ps;                                          //使用完后从基类删除内存

这样的写法同样会导致一开始讲的内存泄漏，因为标准库的字符串并没有把析构函数定义为虚函数，它们并不是用来拿去继承的，所以不能随便继承，包括STL。虽然C++不像java有final和C\#有sealed来阻止某些类被继承的机制，我们也要**拒绝**这种写法。

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对于**抽象类**(abstract class)，抽象类是包含至少一个纯虚函数的类(pure virtual function)，而且它们不能被实例化，只能通过指针来操作，是纯粹被用来当做多态的基类的。

相比于**具体类**(concrete class)，虽然它们都可以通过父类指针来操作子类，但抽象类有更高一层的抽象，从设计的角度上能更好概括某些类的共同特性，比如"狗"相对于"边牧"，"柴犬"，"斗牛"，把"狗"当做基类显然要好过把某个品种当做基类。

因为多态的基类需要有虚析构函数，抽象类又需要有纯虚函数，那么在抽象类中就要把析构函数声明为纯虚函数:

class AWSL{
      public:
        virtual ~AWSL() =0;              //"=0"只是一个关键字，用来声明纯虚函数，并不把任何东西设为0
    };

同时注意，当在继承层级中某一类的析构函数被调用时，它下一级类的析构函数会被随后调用，最后一直到基类的析构函数，因此作为析构函数调用的终点，要保证有一个定义，否则链接器会报错。

AWSL::~AWSL(){}                     //基类的析构函数要有一个空的定义

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一般来讲，我们使用基类都是为了实现多态，那么这些基类就需要虚的析构函数，比如我们的TimeKeeper类，就可以通过TimeKeeper的指针来操作例如AtomicClock这样的子类。

但并不是所有的基类都是被用来实现多态的，比如我们在上一章讲过的Uncopyable类，单纯只是为了实现某个功能，而不是希望通过它的指针来操作某个对象，那么就不需要将析构函数声明为虚函数。以及某些类就不是用来当做基类的，比如标准库的string类和STL容器类，也不需要将析构函数声明为虚函数。

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**总结：**

*  用来实现多态的基类应该有声明为虚(virtual)的析构函数。如果一个基类中含有虚函数，那它就是被用来实现多态的，就需要有一个虚的析构函数
 *  某些类不是被用来当做基类的，比如std::string和STL，或者某些不是用来实现多态的基类，比如上一章的Uncopyable，就不需要虚的析构函数。