Виртуальные функции

Наконец-то мы добрались и до самих виртуальных функций. К сожалению, для иллюстрации виртуальных функций достаточно сложно провести какую-либо аналогию с реальным миром. Поэтому рассмотрим этот вопрос с точки зрения программирования.

Если в С++ используется механизм позднего связывания, он охватывает ряд функций-членов, которые назвают виртуальными функциями. Виртуальная функция объявляется в базовом или производном классе и, затем, переопределяется в наследуемых классах. Совокупность классов (подклассов), в которых определяется и переопределяется виртуальная функция программисты договорились называть полиморфическим кластером, связанным с некторой виртуальной функцией. В пределах полиморфического кластера сообщение (т.е. вызов функции-члена) связывается с конкретной виртуальной функцией-членом во время выполнения программы.

Для чего же применяются виртуальные функции? Виртуальные функции существуют для того, чтобы "наследник" (производный класс) вел себя отлично от "предка" (базовый класс), сохраняя при этом свойство совместимости с ним.

Обычную функцию-член также можно переопределить в наследуемых классах. Однако без ключевого слова virtual такая функция-член будет связана с сообщением на этапе компиляции, то есть сработает механизм раннего связывания. Ключевое слово virtual гарантирует позднее связывание в пределах полиморфического кластера.

Чтобы добиться пoзднего связывания для объекта, его нужно объявить как указатель или ссылку на объект соответсвующего класса. Для public-производных классов, указатели и ссылки на объекты этих классов совместимы с указателями и ссылками на объекты базового класса, другими словами к объекту производного класса можно обращаться, как будто это объект базового класса.

Для иллюстрации применения виртуальных функций рассмотрим следующий пример (с идеями этого примера Вы сталкивались еще на занятии посвященному наследованию) .

Пример.

#include <iostream.h>

class vehicle // класс "транспортное средство"

{

int wheels; //колеса

float weight; //ширина

public: // начало открытого раздела класса

// описание виртуальной функции message() класса vehicle и реализация этой

// функции. При вызове функции message класса vehicle на экран

// будет выведена строка "Транспортное средство"

virtual void message() {

cout << "This is vehicle"<<endl;

}

};

// класс "легковая машина", унаследованный из

// класса "транспортное средство"

class car : public vehicle

{

int passenger_load;

public: // начало открытого раздела класса

// описание виртуальной функции message класса car и реализация этой

// функции. При вызове функции message класса car на экран

// будет выведена строка " Легковая машина "

void message() {

cout << "This is Car"<<endl;

}

};

// класс "грузовая машина", унаследованный из

// класса "транспортное средство"

class truck : public vehicle

{

int passenger_load;

float payload;

public: // начало открытого раздела класса

int passengers() {

return passenger_load;

}

};

// класс "лодка", унаследованный из

// класса "транспортное средство"

class boat : public vehicle

{

int passenger_load;

public: // начало открытого раздела класса

int passengers() {

return passenger_load;

}

// описание виртуальной функции message класса boat и реализация этой

// функции. При вызове функции message класса boat на экран

// будет выведена строка "Лодка"

void message() {

cout << "This is Boat"<<endl;

}

};

void main()

{

vehicle *unicycle;

// объявляем переменную unicycle (одноколесный велосипед)

// как указатель на объект класса vehicle

//(напомним, это и есть наш базовый класс)

// Создадим экземпляр класса vehicle,

// указатель unicycle будет указывать на этот объект

unicycle = new vehicle;

// вызываем метод message объекта

unicycle-> message(); //происходит вызов vehicle::message()

// удаляем объект unicycle

delete unicycle;

// Все последующие блоки по ТРИ строки абсолютно идентичны первому

// блоку с той лишь разницей, что изменяется класс создаваемого объекта

// на car, truck, boat

unicycle = new car; // создадим экземпляр класса car

unicycle-> message(); //происходит вызов car::message()

delete unicycle; // удаляем объект unicycle

unicycle = new truck; // создадим экземпляр класса truck

unicycle-> message(); //происходит вызов vehicle::message()

delete unicycle; // удаляем объект unicycle

unicycle = new boat; // создадим экземпляр класса boat

unicycle-> message(); //происходит вызов boat::message()

delete unicycle; // удаляем объект unicycle

}

В результате выполнения даной программы на экран будет выведена следующая информация:

This is vehicle

This is Car

This is vehicle

This is Boat

Давайте разберем приведенный пример. Итак, есть три класса: car (легковая машина), truck (грузовик) и boat (лодка), которые являются производными от базового класса vehicle (транспортное средство). В базовом классе vehicle (транспортное средство) описана виртуальная функция message(). Обратите внимание, что только в двух из трех классов также описаны свои функции message() (это классы car и boat), а в классе truck нет описания своей функции message().

Cтроки, к которым не приведен комментарий, не имеют принципиального для данного примера значения. Рассмотрим функцию main(). Первым делом, в ней описывается переменная unicycle, как указатель на класса vehicle. После этого, создается экземпляр класса vehicle, переменная unicycle указывает на этот объект. Следующий шаг, это вызов функции message() объекта unicycle,после чего, в следующей строке, этот объект удаляется. Снова обращаем Ваше внимание, что в следующих трех блоках по ТРИ строки проводятся аналогичные операции, с той лишь разницей, что теперь это все проделывается с экземплярами классов car, truck, boat. Вы уже заметили, что применение указателя на базовый класс позволяет нам использовать один и тот же указатель для всех производных классов.

Теперь нас интересует вызов функции message() для каждого из объектов. Если бы мы не указали, что функция message() класса vehicle является виртуальной, то компилятор статически связал бы любой вызов функции объекта, на который указывает unicycle, с методом message() класса vehicle, т.к. при описании мы сказали, что переменная unicycle указывает на объект класса vehicle. Другими словами произошло бы раннее связывание. Результатом работы такой программы был бы вывод четырех строк "This is vehicle".

При работе с объектами классов car и boat вызываются их собственные методы message(), что и подтверждается выводом на экран соответствующих сообщений. У класса truck нет своего метода message(), по этой причине производится вызов соответствующего метода базового класса vehicle.

Очень часто класс, содержащей виртуальный метод называют полиморфным классом. Самое главное отличие заключается в том, что полиморфные классы допускают обработку объектов, тип которых неизвестен во время компиляции. Функции, описанные в базовом классе как виртуальные, могут быть модифицированы в производных классах, причем связывание произойдет не на этапе компиляции (то, что называется ранним связыванием), а в момент обращения к данному методу (позднее связывание).

В заключении даного раздела отметим следующие особенности виртуальных функций:

1. только НЕстатические функции-члены могут быть виртуальными;

2. виртуальность наследуется;

3. при переопределении виртуальной функции в производном классе, наличие ключевого слова virtual - НЕобязательно;

4. конструкторы НЕ могут быть виртуальными;

5. деструкторы могут быть виртуальными.