理解虚析构函数

Question

我一直在尝试熟悉面向对象编程(OOP)的概念，但是并没有完全理解virtual的概念。

1. 我们可以创建一个virtual destructor但不能创建virtual constructor。为什么？
2. virtual destructors是如何在内部处理的？我的意思是链接Virtual Destructors说明了这个概念，但是我的问题是如何调用两个vtable(Derived和Base)的vptr？(在虚成员函数的情况下，当出现这种情况时，通常只调用vptr指向的派生类的函数)
3. 还有其他场景需要使用virtual destructor 吗？

请问有人可以帮助我理解上述概念，并提供链接/示例吗？

- SohamC

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1. 在C++中为什么没有虚拟构造函数？
2. C++中Vptr和Vtable的机制是什么？
3. 何时使用虚拟析构函数？

- Sufian Latif

Answer 1

首先，让我们简单介绍一下虚函数和非虚函数之间的区别：

在代码中，每个非虚函数调用都可以在编译或链接期间解决。

通过“解决”，我们是指编译器或链接器可以计算出函数的地址。

因此，在创建的目标代码中，函数调用可以替换为跳转到内存中该函数地址的操作码。

使用虚函数，您可以调用只能在运行时解决的函数。

不解释了，让我们通过一个简单的场景来演示。

class Animal
{
    virtual void Eat(int amount) = 0;
};

class Lion : public Animal
{
    virtual void Eat(int amount) { ... }
};

class Tiger : public Animal
{
    virtual void Eat(int amount) { ... }
};

class Tigon : public Animal
{
    virtual void Eat(int amount) { ... }
};

class Liger : public Animal
{
    virtual void Eat(int amount) { ... }
};

void Safari(Animal* animals[], int numOfAnimals, int amount)
{
    for (int i=0; i<numOfAnimals; i++)
        animals[i]->Eat(amount);
    // A different function may execute at each iteration
}

如您所知，Safari 函数允许您灵活地喂不同的动物。

但由于每种动物的确切类型直到运行时才知道，因此要调用精确的 Eat 函数也是如此。

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类的构造函数不能是虚拟的，因为：

调用对象的虚拟函数是通过对象类的 V-Table 实现的。

每个对象都持有指向其类的 V-Table 的指针，但该指针只在运行时创建对象时初始化。

换句话说，只有在调用构造函数时才会初始化该指针，因此构造函数本身不能是虚拟的。

除此之外，构造函数本身也没有必要是虚拟的。

虚拟函数的思想在于，可以在不知道调用它们的对象的确切类型的情况下调用它们。

当您创建对象（即隐式调用构造函数）时，您确切地知道正在创建的对象的类型，因此不需要此机制。

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基类的析构函数必须是虚拟的，因为：

当您静态分配一个继承自基类的对象时，然后在函数结束时（如果对象是局部的）或程序结束时（如果对象是全局的），类的析构函数会自动调用，并依次调用基类的析构函数。

在这种情况下，析构函数是虚拟的事实上没有意义。

另一方面，当您动态分配（new）一个继承自基类的对象时，您需要在程序执行的某个后期点上动态地释放（delete）它。 delete 运算符接受指向对象的指针，该指针的类型可以是基类本身。

在这种情况下，如果析构函数是虚拟的，则 delete 运算符调用类的析构函数，然后依次调用基类的析构函数。

但是，如果析构函数不是虚拟的，则 delete 运算符仅调用基类的析构函数，并且实际类的析构函数永远不会被调用。

请考虑以下示例：

class A
{
    A() {...}
    ~A() {...}
};

class B: public A
{
    B() {...}
    ~B() {...}
};

void func()
{
    A* b = new B(); // must invoke the destructor of class 'B' at some later point
    ...
    delete b; // the destructor of class 'B' is never invoked
}

- barak manos

Answer 2

可以创建虚析构函数，但不能创建虚构造函数。为什么？

虚函数根据调用它们的对象类型进行分派。当调用构造函数时，没有对象 - 构造函数的工作是创建一个对象。如果没有对象，就不可能进行虚分派，因此构造函数不能是虚函数。

虚析构函数在内部如何处理？

虚分派的内部细节是实现定义的；语言不指定实现，只指定行为。通常，析构函数像任何虚函数一样通过vtable调用。

两个vtables（Derived和Base）的vptr如何调用？

只有最派生类的析构函数将被虚拟调用。所有析构函数，无论是否虚拟，都将隐式调用所有成员和直接基类子对象的析构函数。（在存在虚继承的情况下，情况稍微复杂; 但这超出了本问题的范围）。

还有其他场景需要使用虚析构函数吗？

您需要一个以支持多态删除; 也就是说，能够通过指向基本类型的指针删除派生类型的对象。如果没有基本类型的虚拟析构函数，那是不允许的，并且将导致未定义的行为。

- Mike Seymour

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通常情况下，析构函数与任何虚函数一样，都是通过虚表调用的。这似乎意味着一般情况下虚函数调用并不是实现定义的，但我记得它们确实是实现定义的。我相信这就是你的意思，但这句话有些含糊不清。 - rjnilsson

@Cwan：这可能意味着，如果我没有刚刚说“语言不指定实现，只指定行为”，并用词“通常”进行了限定。但是，为了防止其他人觉得含糊不清，我又加了更多的限定。 - Mike Seymour

是的，由于英语不是我的母语，我可能会犯错。但在我看来现在更清楚了。 - rjnilsson

Answer 3

1. 因为虚函数是在运行时调用的，而构造函数是在初始化阶段调用的，对象还没有被构造。因此拥有虚构造函数是没有意义的。

2. a. 在您的链接中只调用基类析构函数的原因是，析构函数没有标记为虚函数，因此在编译/链接时，析构函数地址链接到基类析构函数，显然指针类型在编译时是Base而不是Derived。

   b. 如果将Base析构函数添加虚关键字后，为什么同时调用了Base和Derived构造函数。这与以下行为相同： Derived d; //当d退出生命周期时，Derived和Base的析构函数都将被调用。

3. 假设您至少有一个虚函数，则应该有一个虚析构函数。

- cck3rry

Answer 4

可以创建虚拟析构函数，但不能创建虚拟构造函数。为什么？

我会用通俗易懂的语言解释这个问题。在C++中，一个类只有在构造函数完成后才存在。每个基类都存在于派生类及其成员初始化之前（包括虚函数表链接）。因此，创建虚拟构造函数没有意义（因为要构造，需要知道类型）。此外，在C++中，从构造函数调用虚函数是行不通的（因为派生类的虚函数表部分还没有设置）。如果仔细思考一下，允许从构造函数调用虚函数会引发一系列问题（例如，在成员初始化之前调用派生类的虚函数会怎样）。

至于析构函数，当销毁时，虚函数表是“完整的”，我们（C++运行时）完全了解类型（可以这么说）。找到类型最派生部分的析构函数（如果是虚拟的，则通过虚函数表），因此可以调用该析构函数以及所有基类的析构函数。

虚拟析构函数的内部处理方式与普通虚函数相同（也就是说，它们的地址在虚函数表中查找，如果它们是虚拟的，则会产生一种或者两种额外的间接级别的开销）。此外，C++保证在派生析构函数完成后，按照相反的构造顺序（依赖于声明顺序）执行所有基类析构函数。

可以通过使用原型模式（或克隆）或工厂来模拟虚拟构造。在这种情况下，要么存在实际类型的实例（以便进行多态性使用），要么存在一个工厂（从抽象工厂派生），该工厂根据提供的某些信息创建一个类型（通过虚函数）。

希望这可以帮助您。

- Werner Erasmus

Answer 5

假设我们有一个基类A，它派生出B。

1.：您可以通过A指针删除B，然后正确的方法是也调用B析构函数。 但是，您不能仅仅调用A构造函数时就说要创建一个B对象。这种情况是不存在的。 您可以这样说：

A* a = new B ();

或者

B b;

但是两者都直接调用B的构造函数。

2.：嗯，我不完全确定，但我猜它会迭代类层次结构的相关部分，并搜索最接近该函数调用的位置。如果一个函数不是虚函数，它就停止迭代并调用它。

3.：如果你想从那个类继承东西，你应该总是使用虚析构函数。如果它是一个最终类，你不应该这样做。

- Melkon

Answer 6

我浪费了几天的时间，试图发现为什么我的派生虚析构函数没有被调用，直到发现答案，希望我可以通过这个回复节省其他人很多痛苦。

在我的项目中，我开始使用三级和四级深度的派生类。虚函数似乎工作得很好，但后来我发现由于我的析构函数没有被调用，我有大量的内存泄漏。没有编译器或运行时错误 - 析构函数只是没有被调用。

网络上有大量关于此的文档和示例，但它们都没有用，因为我的语法是正确的。

我决定，如果编译器不打算调用我的析构函数，我需要创建自己的虚拟析构方法来调用。然后我得到了解决问题的编译器错误 - “类是前向引用”。在基类中添加派生类头文件的包含解决了这个问题。编译器需要类定义来调用析构函数！

我建议在创建新的派生类时，在基类和中间类中包含头文件。可能还有一个好主意是在您的析构函数中添加条件调试代码，以检查它们是否被调用。

Bob Rice

- Bob Rice