C++/Funkcje wirtualne

Z Wikibooks, biblioteki wolnych podręczników.

Do zrobienia: przykład naprawdę polimorficznego i praktycznego programu

[edytuj] Wstęp

Funkcje wirtualne to specjalne funkcje składowe, które przydają się szczególnie, gdy używamy obiektów posługując się wskaźnikami lub referencjami do nich. Dla zwykłych funkcji z identycznymi nazwami to, czy zostanie wywołana funkcja z klasy podstawowej, czy pochodnej, zależy od typu wskaźnika, a nie tego, na co faktycznie on wskazuje. Dysponując funkcjami wirtualnymi będziemy mogli użyć prawdziwego polimorfizmu - używać metod klasy pochodnej wszędzie tam, gdzie spodziewana jest klasa podstawowa. W ten sposób będziemy mogli korzystać z metod klasy pochodnej korzystając ze wskaźnika, którego typ odnosi się do klasy podstawowej. W tej chwili może się to wydawać niepraktyczne, lecz za chwilę przekonasz się, że funkcje wirtualne niosą naprawdę sporo nowych możliwości.

[edytuj] Opis

Na początek rozpatrzymy przykład, który pokaże, dlaczego zwykłe, niewirtualne funkcje składowe nie zdają egzaminu gdy posługujemy się wskaźnikiem, który może wskazywać i na obiekt klasy podstawowej i na obiekt dowolnej z jej klas pochodnych.

Mając klasę bazową wyprowadzamy od niej klasę pochodną:

class Baza
{
public:
   void pisz()
   {
      std::cout << "Tu funkcja pisz z klasy baza" << std::endl;
   }
};
 
class Baza2 : public Baza
{
public:
   void pisz()
   {
      std::cout << "Tu funkcja pisz z klasy Baza2" << std::endl;
   }
};

Jeżeli teraz w funkcji main stworzymy wskaźnik do obiektu typu Baza, to możemy ten wskaźnik ustawiać na dowolne obiekty tego typu. Można też ustawić go na obiekt typu pochodnego, czyli Baza2:

void main()
{
 
   Baza  *wsk;
   Baza   objB;
   Baza2  objB2;
 
   wsk = &objB;
   wsk -> pisz();
 
// Teraz ustawiamy wskaźnik wsk na obiekt typu pochodnego
 
   wsk = &objB2;
   wsk -> pisz();
 
}

Po skompilowaniu na ekranie zobaczymy dwa wypisy: "Tu funkcja pisz z klasy Baza". Stało się tak dlatego, że wskaźnik jest do typu Baza. Gdy ustawiliśmy wskaźnik na objekt typu pochodnego (wolno nam), a nastepnie wywołaliśmy funkcję składową, to kompilator "na ślepo" sięgnął po funkcję pisz z klasy bazowej (bo wskaźnik wskazuje na klasę bazową).

Można jednak określić żeby kompilator nie sięgał po funkcję z klasy bazowej, ale sam się zorientował na co wskaźnik pokazuje. Do tego służy przydomek virtual, a funkcja składowa nim oznaczona nazywa się wirtualną. Różnica polega tylko na dodaniu słowa kluczowego virtual, co wygląda tak:

class Baza
{
public:
   virtual void pisz()
   {
      std::cout << "Tu funkcja pisz z klasy baza" << std::endl;
   }
};
 
class Baza2 : public Baza
{
public:
   virtual void pisz()
   {
      std::cout << "Tu funkcja pisz z klasy Baza2" << std::endl;
   }
};

[edytuj] Konsekwencje

Gdy funkcja jest oznaczona jako wirtualna, kompilator nie przypisuje na stałe wywołania funkcji z tej klasy, na którą pokazuje wskaźnik, już podczas kompilacji. Pozostawia decyzję co do wyboru właściwej wersji funkcji aż do momentu wykonania programu - jest to tzw. późne wiązanie. Wtedy program skorzysta z krótkiej informacji zapisanej w obiekcie a określającej klasę, do jakiej należy dany obiekt. Dopiero po odczytaniu informacji o klasie danego obiektu wybierana jest właściwa metoda.

Jeśli klasa ma choć jedną funkcję wirtualną, to do każdego jej obiektu dopisywany jest identyfikator tej klasy a do wywołania funkcji dopisywany jest kod, który ten identyfikator czyta i odnajduje odpowiednią funkcję. Gdy klasa funkcji wirtualnych nie posiada, takie informacje nie są dodawane, bo nie są potrzebne.

Zauważmy też, że nie zawsze decyzja o wyborze funkcji jest dokonywana dopiero na etapie wykonania. Gdy do obiektów odnosimy się przez zmienną a nie przez wskaźnik lub referencję to kompilator już na etapie kompilacji wie, jaki jest typ (klasa) danej zmiennej (bo do zmiennej w przeciwieństwie do wskaźnika lub referencji nie można przypisać klasy pochodnej). Tak więc wirtualność nie gra roli gdy nie używamy wskaźników; kompilator generuje wtedy taki sam kod, jakby wszystkie funkcje były niewirtualne. Przy wskaźnikach musi orientować się czytając informację o klasie obiektu, na który wskazuje wskaźnik, bo moglibyśmy np. losować, czy do wskaźnika przypiszemy klasę bazową czy jej pochodną - wtedy przy każdym uruchomieniu programu byłaby wywoływana inna funkcja.

Jak widać, za wirtualność się płaci - zarówno drobnym narzutem pamięciowym na każdy obiekt (identyfikator klasy), jak i drobnym narzutem czasowym (odnajdywanie przy każdym wywołaniu odpowiedniej klasy i jej funkcji składowej). Jednak zyskujemy możliwośc płynnego rozwoju naszego programu przez zastępowanie klas ich podklasami, co bez wirtualności jest niewykonalne. Przy możliwościach obecnych komputerów koszt wirtualności jest zaniedbywalny, ale wciąż warto przemyśleć, czy potrzebujemy wirtualności dla wszystkich funkcji.