《Effective C++》条款14: 确定基类有虚析构函数

有时，一个类想跟踪它有多少个对象存在。一个简单的方法是创建一个静态类成员来统计对象的个数。这个成员被初始化为0，在构造函数里加1，析构函数里减1。（条款m26里说明了如何把这种方法封装起来以便很容易地添加到任何类中，“my article on counting objects”提供了对这个技术的另外一些改进）

设想在一个军事应用程序里，有一个表示敌人目标的类：

class enemytarget {
public:
  enemytarget() { ++numtargets; }
  enemytarget(const enemytarget&) { ++numtargets; }
  ~enemytarget() { --numtargets; }

  static size_t numberoftargets()
  { return numtargets; }

  virtual bool destroy();       // 摧毁enemytarget对象后
                                // 返回成功

private:
  static size_t numtargets;     // 对象计数器
};

// 类的静态成员要在类外定义;
// 缺省初始化为0
size_t enemytarget::numtargets;

 

这个类不会为你赢得一份政府防御合同，它离国防部的要求相差太远了，但它足以满足我们这儿说明问题的需要。

敌人的坦克是一种特殊的敌人目标，所以会很自然地想到将它抽象为一个以公有继承方式从enemytarget派生出来的类（参见条款35及m33）。因为不但要关心敌人目标的总数，也要关心敌人坦克的总数，所以和基类一样，在派生类里也采用了上面提到的同样的技巧：

class enemytank: public enemytarget {
public:
  enemytank() { ++numtanks; }

  enemytank(const enemytank& rhs)
  : enemytarget(rhs)
  { ++numtanks; }

  ~enemytank() { --numtanks; }

  static size_t numberoftanks()
  { return numtanks; }

  virtual bool destroy();

private:
  static size_t numtanks;         // 坦克对象计数器
};

 （写完以上两个类的代码后，你就更能够理解条款m26对这个问题的通用解决方案了。）

最后，假设程序的其他某处用new动态创建了一个enemytank对象，然后用delete删除掉：

enemytarget *targetptr = new enemytank;
...
delete targetptr;

 到此为止所做的一切好象都很正常：两个类在析构函数里都对构造函数所做的操作进行了清除；应用程序也显然没有错误，用new生成的对象在最后也用delete删除了。然而这里却有很大的问题。程序的行为是不可预测的——无法知道将会发生什么。

 

c++语言标准关于这个问题的阐述非常清楚：当通过基类的指针去删除派生类的对象，而基类又没有虚析构函数时，结果将是不可确定的。这意味着编译器生成的代码将会做任何它喜欢的事：重新格式化你的硬盘，给你的老板发电子邮件，把你的程序源代码传真给你的对手，无论什么事都可能发生。（实际运行时经常发生的是，派生类的析构函数永远不会被调用。在本例中，这意味着当targetptr 删除时，enemytank的数量值不会改变，那么，敌人坦克的数量就是错的，这对需要高度依赖精确信息的部队来说，会造成什么后果？）

 

为了避免这个问题，只需要使enemytarget的析构函数为virtual。声明析构函数为虚就会带来你所希望的运行良好的行为：对象内存释放时，enemytank和enemytarget的析构函数都会被调用。

 

和绝大部分基类一样，现在enemytarget类包含一个虚函数。虚函数的目的是让派生类去定制自己的行为（见条款36），所以几乎所有的基类都包含虚函数。

 

如果某个类不包含虚函数，那一般是表示它将不作为一个基类来使用。当一个类不准备作为基类使用时，使析构函数为虚一般是个坏主意。请看下面的例子，这个例子基于arm(“the annotated c++ reference manual”)一书的一个专题讨论。

// 一个表示2d点的类
class point {
public:
  point(short int xcoord, short int ycoord);
  ~point();

private:
  short int x, y;
};

 如果一个short int占16位，一个point对象将刚好适合放进一个32位的寄存器中。另外，一个point对象可以作为一个32位的数据传给用c或fortran等其他语言写的函数中。但如果point的析构函数为虚，情况就会改变。

 

实现虚函数需要对象附带一些额外信息，以使对象在运行时可以确定该调用哪个虚函数。对大多数编译器来说，这个额外信息的具体形式是一个称为vptr（虚函数表指针）的指针。vptr指向的是一个称为vtbl（虚函数表）的函数指针数组。每个有虚函数的类都附带有一个vtbl。当对一个对象的某个虚函数进行请求调用时，实际被调用的函数是根据指向vtbl的vptr在vtbl里找到相应的函数指针来确定的。

 

虚函数实现的细节不重要（当然，如果你感兴趣，可以阅读条款m24），重要的是，如果point类包含一个虚函数，它的对象的体积将不知不觉地翻番，从2个16位的short变成了2个16位的short加上一个32位的vptr！point对象再也不能放到一个32位寄存器中去了。而且，c++中的point对象看起来再也不具有和其他语言如c中声明的那样相同的结构了，因为这些语言里没有vptr。所以，用其他语言写的函数来传递point也不再可能了，除非专门去为它们设计vptr，而这本身是实现的细节，会导致代码无法移植。

 

所以基本的一条是，无故的声明虚析构函数和永远不去声明一样是错误的。实际上，很多人这样总结：当且仅当类里包含至少一个虚函数的时候才去声明虚析构函数。

 

这是一个很好的准则，大多数情况都适用。但不幸的是，当类里没有虚函数的时候，也会带来非虚析构函数问题。 例如，条款13里有个实现用户自定义数组下标上下限的类模板。假设你（不顾条款m33的建议）决定写一个派生类模板来表示某种可以命名的数组(即每个数组有一个名字)。

template<class t>                // 基类模板
class array {                    // (来自条款13)
public:
  array(int lowbound, int highbound);
  ~array();

private:
  vector<t> data;
  size_t size;
  int lbound, hbound;
};

template<class t>
class namedarray: public array<t> {
public:
  namedarray(int lowbound, int highbound, const string& name);
  ...

private:
  string arrayname;
};

 如果在应用程序的某个地方你将指向namedarray类型的指针转换成了array类型的指针，然后用delete来删除array指针，那你就会立即掉进“不确定行为”的陷阱中。

namedarray<int> *pna =
  new namedarray<int>(10, 20, "impending doom");

array<int> *pa;

...


pa = pna;                // namedarray<int>* -> array<int>*

...

delete pa;               // 不确定! 实际中，pa->arrayname
                         // 会造成泄漏，因为*pa的namedarray
                         // 永远不会被删除

 

现实中，这种情形出现得比你想象的要频繁。让一个现有的类做些什么事，然后从它派生一个类做和它相同的事，再加上一些特殊的功能，这在现实中不是不常见。namedarray没有重定义array的任何行为——它继承了array的所有功能而没有进行任何修改——它只是增加了一些额外的功能。但非虚析构函数的问题依然存在（还有其他问题，参见m33）

 

最后，值得指出的是，在某些类里声明纯虚析构函数很方便。纯虚函数将产生抽象类——不能实例化的类（即不能创建此类型的对象）。有些时候，你想使一个类成为抽象类，但刚好又没有任何纯虚函数。怎么办？因为抽象类是准备被用做基类的，基类必须要有一个虚析构函数，纯虚函数会产生抽象类，所以方法很简单：在想要成为抽象类的类里声明一个纯虚析构函数。

这里是一个例子：

class awov {                // awov = "abstract w/o
                            // virtuals"
public:
  virtual ~awov() = 0;      // 声明一个纯虚析构函数
                            
};

 这个类有一个纯虚函数，所以它是抽象的，而且它有一个虚析构函数，所以不会产生析构函数问题。但这里还有一件事：必须提供纯虚析构函数的定义：

awov::~awov() {}           // 纯虚析构函数的定义

 这个定义是必需的，因为虚析构函数工作的方式是：最底层的派生类的析构函数最先被调用，然后各个基类的析构函数被调用。这就是说，即使是抽象类，编译器也要产生对~awov的调用，所以要保证为它提供函数体。如果不这么做，链接器就会检测出来，最后还是得回去把它添上。

 

可以在函数里做任何事，但正如上面的例子一样，什么事都不做也不是不常见。如果是这种情况，那很自然地会想到将析构函数声明为内联函数，从而避免对一个空函数的调用所产生的开销。这是一个很好的方法，但有一件事要清楚。因为析构函数为虚，它的地址必须进入到类的vtbl（见条款m24）。但内联函数不是作为独立的函数存在的（这就是“内联”的意思），所以必须用特殊的方法得到它们的地址。条款33对此做了全面的介绍，其基本点是：如果声明虚析构函数为inline，将会避免调用它们时产生的开销，但编译器还是必然会在什么地方产生一个此函数的拷贝。