把重写函数声明为“override”的

Item 12:把重写函数声明为“override”的

Posted by boydfd on 2016-01-01 00:00:00 +0800

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本文翻译自《effective modern C++》,由于水平有限,故无法保证翻译完全正确,欢迎指出错误。谢谢!

C++中的面向对象编程总是围绕着类,继承,以及虚函数。这个世界中,最基础的概念就是,对于一个虚函数,用派生类中的实现来重写在基类中的实现。但是,这是令人沮丧的,你要认识到重写虚函数有多么容易出错。这就好像这部分语言,是用这样的概念(墨菲定律不仅仅要被遵守,更需要被尊敬)来设计的。(it’s almost as if this part of the language were designed with the idea that Murphy’s Law wasn’t just to be obeyed, it was to be honored)

因为“重写”听起来有点像“重载”,但是他们完全没有关系,让我们来弄清楚,重写虚函数是为了通过基类的接口来调用派生类的函数。

class Base {
public:
	virtual void doWork();			//基类虚函数
	...
};

class Derived: public Base{
public:
	virtual void doWork();			//重写Base::doWork
	...								//(“virtual” 是可选的)
};

std::unique_ptr<Base> upb =			//创建基类指针,来指向
	std::make_unique<Derived>();	//派生类对象;有关
									//std::make_unique的信息
									//请看Item 21
...

upb->doWork();						//通过基类指针调用doWork;
									//派生类的函数被调用了

为了能够成功重写,必须要符合一些要求:

  • 基类函数必须是virtual的。
  • 基类函数和派生类函数的名字必须完全一样(除了析构函数)。
  • 基类函数和派生类函数的参数类型必须完全一样。
  • 基类函数和派生类函数的const属性必须完全一样。
  • 基类函数和派生类函数的返回值类型以及异常规格(exception specification)必须是可兼容的。

这些限制是C++98要求的,C++11还增加了一条:

  • 函数的引用限定符必须完全一样

“成员函数引用限定符”是C++11中不太被知道的特性,所以即使你从来没有听过,也不需要吃惊。它们的出现是为了限制成员函数只能被左值或右值中的一个使用。使用它们时,不需要一定是virtual成员函数:

class Widget {
public:
	...
	void doWork() &;			//只有*this是左值时,才会调用
								//这个版本的doWork

	void doWork() &&;			//只有*this是右值时,才会调用
								//这个版本的doWork
};

...

Widget makeWidget();			//工厂函数(返回一个右值)

Widget w;						//正常的对象(一个左值)

...

w.doWork();						//调用左值版本的Widget::doWork
								//也就是Widget::doWork &

makeWidget().doWork();			//调用右值版本的Widget::doWork
								//也就是Widget::doWork &&

更多关于带引用限定符的成员函数的信息,我会在后面讨论,现在,我们只需要知道,如果一个基类中的虚函数有引用限定符,那么派生类的重写函数中,也必须有完全一样的引用限定符。如果它们没有一样的限定符,声明的函数在派生类中还是存在的,但是它们不会重写任何基类函数。

重写需要这么多的的要求,就意味着一个小的差错就会有很大影响。含有错误重写的代码常常是有效的,但是这些代码会产生你不想要的结果。因此,你不能依赖编译器来通知你:你是否做错了。举个例子,下面的代码完全没有问题,并且乍一看也很合理,但是它们没有包含虚函数重写(派生类的函数没有绑定基类的函数)。你能找出每种情况的问题所在么,也就是,为什么每个同名的派生类函数没有重写基类函数?

class Base {
public:
	virtual void mf1() const;
	virtual void mf2(int x);
	virtual void mf3() &;
	void mf4() const;
};

class Derived: public Base {
public:
	virtual void mf1();
	virtual void mf2(unsigned int x);
	virtual void mf3() &&;
	void mf4() const;
};

需要一点帮忙?

  • mf1在基类中声明为const,但是在派生类中却不是
  • mf2在基类中的参数类型是int,但是在派生类中的参数类型是unsigned
  • mf3在基类中是左值限定的,但是在派生类中是右值限定的。
  • mf4在基类中没声明为virtual的

你可能在想,“喂,在练习中,这些东西编译器都会发出警告,所以我不需要去关心它”。这可能是对的,但是也可能是错的。我测试过两个编译器,代码成功被编译器接受,并且编译器没有发出警告,并且这是在警告选项全部打开的情况下测试的。(其他编译器会对其中几条问题(不是全部)产生警告。)

在派生类中,声明出正确的重写函数很重要,但是它们总是很容易出错,所以C++11给了你一个方法来明确一个派生类函数需要重写一个基类函数,这个方法就是把函数声明为override的。把它应用到上面的例子中将产生这样的派生类:

class Derived: public Base{
public:
	virtual void mf1() override;
	virtual void mf2(unsigned int x) override;
	virtual void mf3() && override;
	virtual void mf4() const override;
};

当然,这样将无法通过编译,因为这样写以后,编译器将对所有和重写有关的问题吹毛求疵。这正是你想要的,这就是为什么你应该把你所有的重写函数声明为override的。

使用override,并能通过编译的代码看起来像下面这样(假设我们的目标是用派生类中的函数重写基类中的虚函数):

class Base {
public:
	virtual void mf1() const;
	virtual void mf2(int x);
	virtual void mf3() &;
	virtual void mf4() const;
};

class Derived: public Base{
public:
	virtual void mf1() const override;
	virtual void mf2(int x) override;
	virtual void mf3() & override;
	void mf4() const override;				//增加“virtual”也可以,但不是必须的
};

记住,在这个例子中,做的一部分事情是在Base中声明mf4为virtual的。大部分和重写有关的错误发生在派生类,但是也有可能是基类中有不对的地方。

把所有的派生类中的重写函数都声明为override,这个准则不仅能让编译器告诉你什么地方声明了override却没有重写任何东西。而且当你考虑改变基类中虚函数的签名,它(这个准则)还能帮助你评估出影响大不大。如果派生类所有的地方都使用了override,你只需要改变函数签名,然后再编译一次你的系统,看看你造成了多大的损害(也就是,各个派生类中有多少函数不能编译),然后再决定这些问题是否值得你去改变函数签名。如果没有override,你就只能祈祷你有一个全面的单元测试了。因为,就像我们看到的那样,一个派生类的虚函数需要重写基类的函数,但是它如果没有“成功重写”,那编译器也不会发出警告。

C++有一些关键字一直是关键字,但是C++11介绍了两个和上下文相关的关键字,override和final。这两个关键字的特点是,只在特定的上下文中它们是保留的(不能用作其他name)。比如override的情况,只有当它出现在成员函数声明的最后时,它才是保留的。这意味着如果你有历史遗留的代码,代码中已经使用了override作为name,你不需要因为你使用了C++11而改变它:

class Warning {
public:
	...
	void override();			//在C++98和C++11中都合法
	...							//也拥有同样的意义
};

关于override要说的已经说完了,但是有关成员函数引用限定符的东西还没说完。我之前保证过我会在后面提供有关它们的信息,然后现在就是“后面”了。

如果我们想写一个函数,这个函数只接受左值参数,我们可以声明一个非const左值引用的参数:

void doSomething(Widget& w);		//只接受属于左值的Widget

如果我们想写一个函数,这个函数只接受右值参数,我们可以声明一个右值引用的参数:

void foSomething(Widget&& w);		//只接受属于右值的Widget

成员函数引用限定符也能做出这样的区分,让不同的对象(*this属于左值还是右值)调用不同的成员函数(加不加override)。这和在成员函数的声明后面加上const(这表示const对象要调用的成员函数)几乎是完全一样的。

需要引用限定功能的成员函数不常见,但是它是存在的。举个例子,假设我们的Widget类有一个std::vector数据成员,并且我们提供一个访问函数来让客户直接访问这个变量:

class Widget {
public:
	using DataType = std::vector<double>;		//using的详细信息请看Item 9
	...

	DataType& data() { return values; }
	...

private:
	DataType values;
};

这几乎不符合大多数封装设计的标准,但是把它放在一边,并且考虑下在下面的客户代码中发生了什么

Widget w;
...

auto vals1 = w.data();					//把w.values拷贝到vals1中

Widget::data的返回类型是一个左值引用(准确地说是std::vector&),并且因为左值引用被定义为左值,vals1的初始化来自一个左值。因此,就像注释说的那样,用w.values 拷贝构造了一个vals1。

现在假设我们有一个工厂函数,这个函数能创建Widget,

Widget makeWidget();

并且我们想通过makeWidget返回的Widget,用这个Widget中的std::vector来初始化一个变量:

auto vals2 = makeWidget().data();		//把Widget中的值拷贝到vals2中

同样地,Widget::data返回一个左值引用,并且,同样地,左值引用是一个左值,所以同样地,我们的新对象(vals2)通过拷贝构造函数拷贝了一份Widget中的值。这次Widget是一个从makeWidget返回的临时对象(一个左值,),拷贝它的std::vector浪费时间,我们最好的做法是move它,但是因为data返回一个左值引用,所以C++的规则要求编译器生成拷贝的代码。(若是通过所谓的“as if rule”来优化的话,这里有一些回旋余地,但是如果你只能依赖你的编译器找到方法来优化它,那你就真是太蠢了)

我们需要一个方法来明确一点,那就是当data被一个右值Widget调用时,结果也应该是一个右值。使用引用限定符来重载data的左值和右值版本让之成为可能:

class Widget {
public:
	using DataType = std::vector<double>;
	...

	DataType& data()&			//左值Widget返回左值
	{ return values;}

	DataType data() &&			//右值Widget返回右值
	{ return std::move(values); }
	...

private:
	DataType values;
};

注意两个重载函数的返回值类型不同。左值引用重载函数返回一个左值引用(也就是一个左值),然后右值引用重载函数返回一个临时对象(也就是一个右值)。这意味着现在,客户代码的表现是这样的:

auto vals1 = w.data();				//调用Widget::data的左值
									//重载函数,拷贝构造一个vals1

auto vals2 = makeWidget().data();	//调用Widget::data的右值
									//重载函数,移动构造一个vals2

这确实表现得很好,但是不要让这happy ending的光辉分散了你的注意力,这章的重点是当你在派生类中声明一个函数,并打算用这个函数重写一个基类中的虚函数时,你要把这函数声明为override的。

            你要记住的事
  • 把重写函数声明为override的。
  • 成员函数引用限定符能区别对待左值和右值对象(*this)。