虛擬函式
 | 此條目需要補充更多來源。 (2013年3月21日) |
| 多型 |
|---|
| 特設多型 |
| 參數多型 |
| 子類型 |
在物件導向程式設計領域，C++、Object Pascal 等語言中有虛擬函式（英語：virtual function）或虛擬方法（英語：virtual method）的概念。這種函式或方法可以被子類繼承和覆蓋，通常使用動態分派實現。這一概念是物件導向程式設計中（執行時）多型的重要組成部分。簡言之，虛擬函式可以給出目標函式的定義，但該目標的具體指向在編譯期可能無法確定。
虛擬函式在設計模式方面扮演重要角色。例如，《設計模式》一書中提到的23種設計模式中，僅5個對象建立模式就有4個用到了虛擬函式（抽象工廠、工廠方法、生成器、原型），只有單例沒有用到。
目的
虛擬函式概念的引入可以解決這樣的問題：
在物件導向程式設計中，衍生類別繼承自基礎類別。使用指標或參照訪問衍生類別對象時，指標或參照本身所指向的類型是基礎類別而不是衍生類別。如果衍生類別覆蓋了基礎類別中的方法，通過上述指標或參照呼叫該方法時，可以有兩種結果：
- 呼叫到基礎類別的方法：編譯器根據指標或參照的類型決定，稱作「早繫結」；
- 呼叫到衍生類別的方法：語言的執行時系統根據對象的實際類型決定，稱作「遲繫結」。
虛擬函式的效果屬於後者。如果問題中基礎類別的函式是「虛擬」的，則呼叫到的都是最終衍生類別（英語：most-derived class）中的函式實現，與指標或參照的類型無關。反之，如果函式非「虛擬」，呼叫到的函式就在編譯期根據指標或者參照所指向的類型決定。
有了虛擬函式，程式甚至能夠呼叫編譯期還不存在的函式。
在 C++ 中，在基礎類別的成員函式聲明前加上關鍵字 virtual 即可讓該函式成為 虛擬函式，衍生類別中對此函式的不同實現都會繼承這一修飾詞，允許後續衍生類別覆蓋，達到遲繫結的效果。即便是基礎類別中的成員函式呼叫虛擬函式，也會呼叫到衍生類別中的版本。
程式範例
例如，一個基礎類別 Animal 有一個虛擬函式 eat。子類別 Fish 要實做一個函式 eat()，這個子類別 Fish 與子類別 Wolf 是完全不同的，但是你可以參照類別 Animal 底下的函式 eat() 定義，而使用子類別 Fish 底下函式 eat() 的處理程式。
C++
以下程式碼是 C++ 的程式範例。要注意的是，這個範例沒有異常處理的程式碼。尤其是 new 或是 vector::push_back 丟出一個異常時，程式在執行時有可能會出現崩潰或是錯誤的現象。
# include <iostream>
# include <vector>
using namespace std;
class Animal
{
public:
virtual void eat() const { cout << "I eat like a generic Animal." << endl; }
virtual ~Animal() {}
};
class Wolf : public Animal
{
public:
void eat() const { cout << "I eat like a wolf!" << endl; }
};
class Fish : public Animal
{
public:
void eat() const { cout << "I eat like a fish!" << endl; }
};
class GoldFish : public Fish
{
public:
void eat() const { cout << "I eat like a goldfish!" << endl; }
};
class OtherAnimal : public Animal
{
};
int main()
{
std::vector<Animal*> animals;
animals.push_back( new Animal() );
animals.push_back( new Wolf() );
animals.push_back( new Fish() );
animals.push_back( new GoldFish() );
animals.push_back( new OtherAnimal() );
for( std::vector<Animal*>::const_iterator it = animals.begin();
it != animals.end(); ++it)
{
(*it)->eat();
delete *it;
}
return 0;
}
以下是虛擬函式 Animal::eat() 的輸出：
I eat like a generic Animal. I eat like a wolf! I eat like a fish! I eat like a goldfish! I eat like a generic Animal.
當 Animal::eat() 不是被宣告為虛擬函式時，輸出如下所示：
I eat like a generic Animal. I eat like a generic Animal. I eat like a generic Animal. I eat like a generic Animal. I eat like a generic Animal.
Java
在Java語言中, 所有的方法預設都是"虛擬函式". 只有以關鍵字 final 標記的方法才是非虛擬函式. 以下是 Java 中虛擬方法的一個例子:
import java.util.*;
public class Animal {
public void eat() { System.out.println("I eat like a generic Animal."); }
public static void main(String[] args) {
List<Animal> animals = new LinkedList<Animal>();
animals.add(new Animal());
animals.add(new Wolf());
animals.add(new Fish());
animals.add(new OtherAnimal());
for (Animal currentAnimal : animals) {
currentAnimal.eat();
}
}
}
public class Wolf extends Animal {
public void eat() { System.out.println("I eat like a wolf!"); }
}
public class Fish extends Animal {
public void eat() { System.out.println("I eat like a fish!"); }
}
public class OtherAnimal extends Animal {}
輸出:
I eat like a generic Animal. I eat like a wolf! I eat like a fish! I eat like a generic Animal.
C#
在 C# 語言中, 對基礎類別中的任何虛擬方法必須用 virtual 修飾, 而衍生類中由基礎類別繼承而來的多載方法必須用 override 修飾. 以下是 C# 的一個程式實例:
using System;
using System.Collections.Generic;
namespace ConsoleApplication1
{
public class Animal
{
public virtual void Eat()
{
Console.WriteLine("I eat like a generic Animal.");
}
}
public class Wolf : Animal
{
public override void Eat()
{
Console.WriteLine("I eat like a wolf!");
}
}
public class Fish : Animal
{
public override void Eat()
{
Console.WriteLine("I eat like a fish!");
}
}
public class GoldFish : Fish
{
public override void Eat()
{
Console.WriteLine("I eat like a goldfish!");
}
}
public class OtherAnimal : Animal
{
// Eat() method is not overridden, so the base class method will be used.
}
public class Program
{
public static void Main(string[] args)
{
IList<Animal> animals = new List<Animal>();
animals.Add(new Animal());
animals.Add(new Wolf());
animals.Add(new Fish());
animals.Add(new GoldFish());
animals.Add(new OtherAnimal());
foreach (Animal currentAnimal in animals)
{
currentAnimal.Eat();
}
}
}
}
輸出:
I eat like a generic Animal. I eat like a wolf! I eat like a fish! I eat like a goldfish! I eat like a generic Animal.
抽象類和純虛擬函式
純虛擬函式或純虛擬方法是一個需要被非抽象的衍生類別覆蓋（override）的虛擬函式. 包含純虛擬方法的類被稱作抽象類; 抽象類不能被直接實例化。 一個抽象基礎類別的一個子類只有在所有的純虛擬函式在該類(或其父類別)內給出實現時, 才能直接實例化. 純虛擬方法通常只有聲明(簽章)而沒有定義(實現)，但有特例情形要求純虛擬函式必須給出函式體定義.
作為一個例子, 抽象基礎類別"MathSymbol"可能提供一個純虛擬函式 doOperation(), 和衍生類 "Plus" 和 "Minus" 提供doOperation() 的具體實現. 由於 "MathSymbol" 是一個抽象概念, 為其每個子類別定義了同一的動作, 在 "MathSymbol" 類中執行 doOperation() 沒有任何意義. 類似的, 一個給定的 "MathSymbol" 子類如果沒有 doOperation() 的具體實現是不完全的.
雖然純虛擬方法通常在定義它的類中沒有實現, 在 C++ 語言中, 允許純虛擬函式在定義它的類中包含其實現, 這為衍生類提供了備用或預設的行為. C++的虛擬基礎類別的虛擬解構函式必須提供函式體定義，否則連結時（linking）在解構該抽象類的衍生實例對象的語句處會報錯。[1]
C++
在C++語言中, 純虛擬函式用一種特別的語法[=0]定義（但 VS 也支援 abstract 關鍵字：virtual ReturnType Function()abstract;）, 見以下範例.
class Abstract {
public:
virtual void pure_virtual() = 0;
};
純虛擬函式的定義僅提供方法的原型. 雖然在抽象類中通常不提供純虛擬函式的實現, 但是抽象類中可以包含其實現, 而且可以不在聲明的同時給出定義[2]. 每個非抽象子類仍然需要多載該方法, 抽象類中實現的呼叫可以採用以下這種形式:
void Abstract::pure_virtual() {
// do something
}
class Child : public Abstract {
virtual void pure_virtual(); // no longer abstract, this class may be
// instantiated.
};
void Child::pure_virtual() {
Abstract::pure_virtual(); // the implementation in the abstract class
// is executed
}
構造與解構時的行為
在對象的建構函式和解構函式中涉及虛擬函式時，不同的語言有不同的規定。在以 C++ 為代表的一些語言中，虛擬函式排程機制在對象的構造和解構時有不同的語意，一般建議儘可能避免在 C++ 的建構函式中呼叫虛擬函式[3]。而在 C#、Java 等另一些語言中，構造時可以呼叫衍生類別中的實現，抽象工廠模式等設計模式也鼓勵在支援這一特性的語言中使用這種用法。
參考文獻
- ^ MSDN "Using dllimport and dllexport in C++ Classes" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）: However, because a destructor for an abstract class is always called by the destructor for the base class, pure virtual destructors must always provide a definition. Note that these rules are the same for nonexportable classes.
- ^ Standard C++ 98 - 10.4/2
- ^ Meyers, Scott. Never Call Virtual Functions during Construction or Destruction. June 6, 2005 [2018-06-22]. （原始內容存檔於2021-01-26）.
- C++ FAQ Lite Copyright © 1991-2006, Marshall Cline.