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C++中为什么构造函数和析构函数不允许调用虚函数？

news 2024/9/22 13:26:51

1.引言

2.不要在构造函数中调用虚函数的原因

2.1.对象不完全构造问题

2.2.虚函数表（vtable）尚未初始化

3.不要在析构函数中调用虚函数的原因

4.构造函数中调用虚函数的实际效果

4.1.静态绑定而非动态绑定

4.2.运行时行为分析

5.替代方案

5.1.成员初始化列表

5.2.两阶段构造

5.3.工厂模式

6.总结

1.引言

在C++编程中，构造函数初始化对象的状态，确保对象在使用前被正确构建。而虚函数则提供了多态性，允许程序在运行时根据实际对象类型调用合适的函数。然而，C++标准明确禁止在构造函数中调用虚函数。这一规定背后有着深刻的原因和逻辑。本文将详细探讨这一问题，解析其背后的机制，并通过代码示例加深理解。

构造函数

构造函数是类的成员函数，其名称与类名相同，且在对象创建时自动调用。它的主要任务是初始化对象的成员变量，确保对象处于有效状态。

class Base {
public:Base() {// 构造函数的实现}
};

虚函数

虚函数是通过virtual关键字声明的成员函数，允许派生类重写该函数，实现多态性。在运行时，根据对象的实际类型调用合适的函数。

class Base {
public:virtual void show() {// 基类的实现}
};class Derived : public Base {
public:void show() override {// 派生类的实现}
};

2.不要在构造函数中调用虚函数的原因

2.1.对象不完全构造问题

在概念上，构造函数的工作是为对象进行初始化。在构造函数完成之前，被构造的对象被认为“未完全生成”。在C++中，对象的构造是一个逐步的过程，从基类到派生类，每个类的构造函数都会按顺序被调用。在这个过程中，对象的完整类型（包括其所有派生类）尚未完全形成。因此，如果构造函数中调用了虚函数，那么由于对象的完整类型尚未确定，编译器无法确定应该调用哪个版本的虚函数（即哪个类的实现）。

2.2.虚函数表（vtable）尚未初始化

在C++中，多态性通常通过虚函数表（vtable）来实现。每个包含虚函数的类都有一个vtable，它存储了类中所有虚函数的地址。然而，在对象的构造函数执行期间，vtable可能还没有完全初始化。这意味着，如果构造函数尝试调用虚函数，它可能会调用到一个尚未正确设置或尚未指向正确函数实现的地址，从而导致未定义行为。

3.不要在析构函数中调用虚函数的原因

同样的，在析构函数中调用虚函数，函数的入口地址也是在编译时静态决定的。也就是说，实现的是实调用而非虚调用。

#include <iostream>
using namespace std;class A{
public:virtual void show(){cout<<"in A"<<endl;}virtual ~A(){show();}
};class B:public A{
public:void show(){cout<<"in B"<<endl;}
};int main(){A a;B b;
}

程序输出结果是：

 in A in A

在类B的对象b退出作用域时，会先调用类B的析构函数，然后调用类A的析构函数，在析构函数~A()中，调用了虚函数show()。从输出结果来看，类A的析构函数对show()调用并没有发生虚调用。

从概念上说，析构函数是用来销毁一个对象的，在销毁一个对象时，先调用该对象所属类的析构函数，然后再调用其基类的析构函数，所以，在调用基类的析构函数时，派生类对象的“善后”工作已经完成了，这个时候再调用在派生类中定义的函数版本已经没有意义了。

因此，一般情况下，应该避免在构造函数和析构函数中调用虚函数，如果一定要这样做，程序猿必须清楚，这是对虚函数的调用其实是实调用。

4.构造函数中调用虚函数的实际效果

4.1.静态绑定而非动态绑定

即使在构造函数中调用了虚函数，编译器也会进行静态绑定，调用的是基类的函数实现，而不是动态绑定到派生类的实现。例如：

4.2.运行时行为分析

通过反汇编或调试工具，我们可以观察到在构造函数中调用虚函数时，编译器实际上直接调用了基类的函数，没有进行虚函数表的查找和动态绑定。

5.替代方案

5.1.成员初始化列表

在构造函数中，尽量使用成员初始化列表来初始化成员变量，避免在构造函数体中执行复杂的逻辑。

class Base {
public:Base(int value) : member(value) {// 构造函数体尽量简洁}virtual void show() = 0;  // 纯虚函数private:int member;
};class Derived : public Base {
public:Derived(int value) : Base(value) {// Derived特定的初始化}void show() override {std::cout << "Derived show with member: " << member << std::endl;}private:int member;  // 假设Derived也有一个同名成员
};

5.2.两阶段构造

从设计原则的角度来看，构造函数应该专注于初始化对象的状态，而不是执行依赖于对象类型的复杂逻辑。如果需要在对象构造后根据对象类型执行不同的操作，应该将这些操作放在构造函数之外的其他成员函数（如初始化函数或设置函数）中，并通过虚函数来实现多态性。

class Base {
public:Base() {// 基础初始化}virtual void initialize() {show();}virtual void show() {std::cout << "Base show" << std::endl;}
};class Derived : public Base {
public:Derived() {// Derived特定的初始化可以放在这里，但最好还是在initialize中}void initialize() override {show();}void show() override {std::cout << "Derived show" << std::endl;}
};int main() {Base* b = new Derived();b->initialize();  // 调用initialize实现多态delete b;return 0;
}

5.3.工厂模式

使用工厂模式创建对象，并在工厂函数中进行必要的初始化，确保对象在使用前已经完全构造和初始化。

class Base {
public:virtual void show() = 0;static Base* create();  // 工厂函数
};class Derived : public Base {
public:void show() override {std::cout << "Derived show" << std::endl;}
};Base* Base::create() {Base* b = new Derived();// 可以在这里进行额外的初始化return b;
}int main() {Base* b = Base::create();b->show();delete b;return 0;
}