C++11 中的override詳解

2022-03-20 19:00:41

1 公有繼承

公有繼承包含兩部分：一是"函數介面" (interface)，二是"函數實現" (implementation)

如 Shape 類中，三個成員函數，對應三種繼承方式：

class Shape {
public:
    virtual void Draw() const = 0;    // 1) 純虛擬函式
    virtual void Error(const string& msg);  // 2) 普通虛擬函式
    int ObjectID() const;  // 3) 非虛擬函式
};
class Rectangle: public Shape { ... };
class Ellipse: public Shape { ... };

1.1 純虛擬函式 (pure virtual)

Shape *ps1 = new Rectangle;
ps1->Draw(); // calls Rectangle::Draw
Shape *ps2 = new Ellipse;
ps2->Draw(); // calls Ellipse::Draw

純虛擬函式，繼承的是基礎類別中，成員函數的介面，且要在派生類中，重寫成員函數的實現

呼叫基礎類別的 Draw()，須加類作用域操作符 ::

ps1->Shape::Draw(); // calls Shape::draw

1.2 普通虛擬函式

普通虛擬函式，會在基礎類別中，定義一個預設的實現 (default implementation)，表示繼承的是基礎類別成員函數介面和預設實現，由派生類選擇是否重寫該函數。

實際上，允許普通虛擬函式同時繼承介面和預設實現是危險的。如下, ModelA 和 ModelB 是 Airplane 的兩種飛機型別，且二者的飛行方式完全相同

class Airplane {
public:
    virtual void Fly(const string& destination);
};
class ModelA: public Airplane { ... };
class ModelB: public Airplane { ... };

這是典型的物件導向設計，兩個類共用一個特性 -- Fly，則 Fly 可在基礎類別中實現，並由兩個派生類繼承之

現增加另一個飛機型號 ModelC，其飛行方式與 ModelA，ModelB 不相同，如果不小心忘記在 ModelC 中重寫新的 Fly 函數

class ModelC: public Airplane {
    ... // no fly function is declared
};

則呼叫 ModelC 中的 fly 函數，就是呼叫 Airplane::Fly，但是 ModelC 的飛行方式和預設的並不相同

Airplane *pa = new ModelC;
pa->Fly(Qingdao); // calls Airplane::fly!

即前面所說的，普通虛擬函式同時繼承介面和預設實現是危險的，最好是基礎類別中實現預設行為 (behavior)，但只有在派生類要求時才提供該預設行為

1.2.1 方法一

一種方法是純虛擬函式 + 預設實現，因為是純虛擬函式，所以只有介面被繼承，其預設的實現不會被繼承。派生類要想使用該預設的實現，必須顯式的呼叫

class Airplane {
public:
    virtual void Fly(const string& destination) = 0;
};
 
void Airplane::Fly(const string& destination)
{
    // a pure virtual function default code for flying an airplane to the given destination
}
class ModelA: public Airplane {
    virtual void Fly(const string& destination) { Airplane::Fly(destination); }
};

這樣在派生類 ModelC 中，即使一不小心忘記重寫 Fly 函數，也不會呼叫 Airplane 的預設實現

class ModelC: public Airplane {
public:
    virtual void Fly(const string& destination);
};
 
void ModelC::Fly(const string& destination)
{
    // code for flying a ModelC airplane to the given destination
}

1.2.2 方法二

可以看到，上面問題的關鍵就在於，一不小心在派生類 ModelC 中忘記重寫 fly 函數，C++11 中使用關鍵字 override，可以避免這樣的“一不小心”

1.3 非虛擬函式

非虛成員函數沒有 virtual 關鍵字，表示派生類不但繼承了介面，而且繼承了一個強制實現 (mandatory implementation)

既然繼承了一個強制的實現，則在派生類中，無須重新定義 (redefine) 繼承自基礎類別的成員函數，如下：

使用指標呼叫 ObjectID 函數，則都是呼叫的 Shape::ObjectID()

Rectangel rc; // rc is an object of type Rectangle
Shape *pB = &rc; // get pointer to rc
pB->ObjectID(); // call ObjectID() through pointer
Rectangle *pD = &rc; // get pointer to rc
pD->ObjectID(); // call ObjectID() through pointer

如果在派生類中重新定義了繼承自基礎類別的成員函數 ObjectID 呢？

class Rectangel : public Shape {
public:
    int ObjectID() const; // hides Shape::ObjectID
};
pB->ObjectID(); // calls Shape::ObjectID()
pD->ObjectID(); // calls Rectagle::ObjectID()

此時，派生類中重新定義的成員函數會 “隱藏” (hide) 繼承自基礎類別的成員函數

這是因為非虛擬函式是 “靜態繫結” 的，pB 被宣告的是 Shape* 型別的指標，則通過 pB 呼叫的非虛擬函式都是基礎類別中的，既使 pB 指向的是派生類

與“靜態繫結”相對的是虛擬函式的“動態繫結”，即無論 pB 被宣告為 Shape* 還是 Rectangle* 型別，其呼叫的虛擬函式取決於 pB 實際指向的物件型別

2 重寫 (override)

在 1.2.2 中提到 override 關鍵字，可以避免派生類中忘記重寫虛擬函式的錯誤

下面以重寫虛擬函式時，容易犯的四個錯誤為例，詳細闡述之

class Base {
public:
    virtual void mf1() const;
    virtual void mf2(int x);
    virtual void mf3() &;
    void mf4() const;    // is not declared virtual in Base
};
class Derived: public Base {
public:
    virtual void mf1();        // declared const in Base, but not in Derived.
    virtual void mf2(unsigned int x);    // takes an int in Base, but an unsigned int in Derived
    virtual void mf3() &&;    // is lvalue-qualified in Base, but rvalue-qualified in Derived.
    void mf4() const;       
};

在派生類中，重寫 (override) 繼承自基礎類別成員函數的實現 (implementation) 時，要滿足如下條件：

一虛：基礎類別中，成員函數宣告為虛擬的 (virtual)

二容：基礎類別和派生類中，成員函數的返回型別和異常規格 (exception specification) 必須相容

四同：基礎類別和派生類中，成員函數名、形參型別、常數屬性 (constness) 和參照限定符 (reference qualifier) 必須完全相同

如此多的限制條件，導致了虛擬函式重寫如上述程式碼，極容易因為一個不小心而出錯

C++11 中的 override 關鍵字，可以顯式的在派生類中宣告，哪些成員函數需要被重寫，如果沒被重寫，則編譯器會報錯。

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;
};

因此，即使不小心漏寫了虛擬函式重寫的某個苛刻條件，也可以通過編譯器的報錯，快速改正錯誤

class Derived: public Base {
public:
    virtual void mf1() const override;  // adding "virtual" is OK, but not necessary
    virtual void mf2(int x) override;
    void mf3() & override;
    void mf4() const override;
};