高質量C++/C編程指南(八)

2019-11-17 05:10:16

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　　第8章 C++函數的高級特性
　　對比于C語言的函數，C++增加了重載（overloaded）、內聯（inline）、const和virtual四種新機制。其中重載和內聯機制既可用于全局函數也可用于類的成員函數，const與virtual機制僅用于類的成員函數。

　　重載和內聯肯定有其好處才會被C++語言采納，但是不可以當成免費的午餐而濫用。本章將探究重載和內聯的優點與局限性，說明什么情況下應該采用、不該采用以及要警惕錯用。

　　8.1 函數重載的概念
　　8.1.1 重載的起源

　　自然語言中，一個詞可以有許多不同的含義，即該詞被重載了。人們可以通過上下文來判定該詞到底是哪種含義。“詞的重載”可以使語言更加簡練。例如“吃飯”的含義十分廣泛，人們沒有必要每次非得說清楚具體吃什么不可。別迂腐得象孔已己，說茴香豆的茴字有四種寫法。

　　在C++程序中，可以將語義、功能相似的幾個函數用同一個名字表示，即函數重載。這樣便于記憶，提高了函數的易用性，這是C++語言采用重載機制的一個理由。例如示例8-1-1中的函數EatBeef,EatFish,EatChicken可以用同一個函數名Eat表示，用不同類型的參數加以區別。

　　void EatBeef(…); // 可以改為 void Eat(Beef …);

　　void EatFish(…); // 可以改為 void Eat(Fish …);

　　void EatChicken(…); // 可以改為 void Eat(Chicken …);

　　示例8-1-1 重載函數Eat

　　C++語言采用重載機制的另一個理由是：類的構造函數需要重載機制。因為C++規定構造函數與類同名（請參見第9章），構造函數只能有一個名字。假如想用幾種不同的方法創建對象該怎么辦？別無選擇，只能用重載機制來實現。所以類可以有多個同名的構造函數。

　　8.1.2 重載是如何實現的？

　　幾個同名的重載函數仍然是不同的函數，它們是如何區分的呢？我們自然想到函數接口的兩個要素：參數與返回值。

　　假如同名函數的參數不同（包括類型、順序不同），那么輕易區別出它們是不同的函數。

　　假如同名函數僅僅是返回值類型不同，有時可以區分，有時卻不能。例如：

　　void Function(void);

　　int Function (void);

　　上述兩個函數，第一個沒有返回值，第二個的返回值是int類型。假如這樣調用函數：

　　int x = Function ();

　　則可以判定出Function是第二個函數。問題是在C++/C程序中，我們可以忽略函數的返回值。在這種情況下，編譯器和程序員都不知道哪個Function函數被調用。

　　所以只能靠參數而不能靠返回值類型的不同來區分重載函數。編譯器根據參數為每個重載函數產生不同的內部標識符。例如編譯器為示例8-1-1中的三個Eat函數產生象_eat_beef、_eat_fish、_eat_chicken之類的內部標識符（不同的編譯器可能產生不同風格的內部標識符）。

　　假如C++程序要調用已經被編譯后的C函數，該怎么辦？

　　假設某個C函數的聲明如下：

　　void foo(int x, int y);

　　該函數被C編譯器編譯后在庫中的名字為_foo，而C++編譯器則會產生像_foo_int_int之類的名字用來支持函數重載和類型安全連接。由于編譯后的名字不同，C++程序不能直接調用C函數。C++提供了一個C連接交換指定符號extern“C”來解決這個問題。例如：

　　extern “C”

　　{

　　void foo(int x, int y);

　　… // 其它函數

　　}

　　或者寫成

　　extern “C”

　　{

　　#include “myheader.h”

　　… // 其它C頭文件

　　}

　　這就告訴C++編譯譯器，函數foo是個C連接，應該到庫中找名字_foo而不是找_foo_int_int。C++編譯器開發商已經對C標準庫的頭文件作了extern“C”處理，所以我們可以用＃include 直接引用這些頭文件。

　　注重并不是兩個函數的名字相同就能構成重載。全局函數和類的成員函數同名不算重載，因為函數的作用域不同。例如：

　　void PRint(…); // 全局函數

　　class A

　　{…

　　void Print(…); // 成員函數

　　}

　　不論兩個Print函數的參數是否不同，假如類的某個成員函數要調用全局函數Print，為了與成員函數Print區別，全局函數被調用時應加‘::’標志。如

　　::Print(…); // 表示Print是全局函數而非成員函數

　　

　　8.1.3 當心隱式類型轉換導致重載函數產生二義性

　　示例8-1-3中，第一個output函數的參數是int類型，第二個output函數的參數是float類型。由于數字本身沒有類型，將數字當作參數時將自動進行類型轉換（稱為隱式類型轉換）。語句output(0.5)將產生編譯錯誤，因為編譯器不知道該將0.5轉換成int還是float類型的參數。隱式類型轉換在很多地方可以簡化程序的書寫，但是也可能留下隱患。

　　# include

　　void output( int x); // 函數聲明

　　void output( float x); // 函數聲明

　　void output( int x)

　　{

　　cout << " output int " << x << endl ;

　　}

　　void output( float x)

　　{

　　cout << " output float " << x << endl ;

　　}

　　void main(void)

　　{

　　int x = 1;

　　float y = 1.0;

　　output(x); // output int 1

　　output(y); // output float 1

　　output(1); // output int 1

　　// output(0.5); // error! ambiguous call, 因為自動類型轉換

　　output(int(0.5)); // output int 0

　　output(float(0.5)); // output float 0.5

　　}

　　示例8-1-3 隱式類型轉換導致重載函數產生二義性

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　　8.2 成員函數的重載、覆蓋與隱藏
　　成員函數的重載、覆蓋（override）與隱藏很輕易混淆，C++程序員必須要搞清楚概念，否則錯誤將防不勝防。

　　8.2.1 重載與覆蓋

　　成員函數被重載的特征：

　　（1）相同的范圍（在同一個類中）；

　　（2）函數名字相同；

　　（3）參數不同；

　　（4）virtual要害字可有可無。

　　覆蓋是指派生類函數覆蓋基類函數，特征是：

　　（1）不同的范圍（分別位于派生類與基類）；

　　（2）函數名字相同；

　　（3）參數相同；

　　（4）基類函數必須有virtual要害字。

　　示例8-2-1中，函數Base::f(int)與Base::f(float)相互重載，而Base::g(void)被Derived::g(void)覆蓋。

　　#include

　　class Base

　　{

　　public:

　　void f(int x){ cout << "Base::f(int) " << x << endl; }

　　void f(float x){ cout << "Base::f(float) " << x << endl; }

　　virtual void g(void){ cout << "Base::g(void)" << endl;}

　　};

　　class Derived : public Base

　　{

　　public:

　　virtual void g(void){ cout << "Derived::g(void)" << endl;}

　　};

　　void main(void)

　　{

　　Derived d;

　　Base *pb = &d;

　　pb->f(42); // Base::f(int) 42

　　pb->f(3.14f); // Base::f(float) 3.14

　　pb->g(); // Derived::g(void)

　　}

　　示例8-2-1成員函數的重載和覆蓋

　　

　　8.2.2 令人迷惑的隱藏規則

　　本來僅僅區別重載與覆蓋并不算困難，但是C++的隱藏規則使問題復雜性陡然增加。這里“隱藏”是指派生類的函數屏蔽了與其同名的基類函數，規則如下：

　　（1）假如派生類的函數與基類的函數同名，但是參數不同。此時，不論有無virtual要害字，基類的函數將被隱藏（注重別與重載混淆）。

　　（2）假如派生類的函數與基類的函數同名，并且參數也相同，但是基類函數沒有virtual要害字。此時，基類的函數被隱藏（注重別與覆蓋混淆）。

　　示例程序8-2-2（a）中：

　　（1）函數Derived::f(float)覆蓋了Base::f(float)。

　　（2）函數Derived::g(int)隱藏了Base::g(float)，而不是重載。

　　（3）函數Derived::h(float)隱藏了Base::h(float)，而不是覆蓋。

　　#include

　　class Base

　　{

　　public:

　　virtual void f(float x){ cout << "Base::f(float) " << x << endl; }

　　void g(float x){ cout << "Base::g(float) " << x << endl; }

　　void h(float x){ cout << "Base::h(float) " << x << endl; }

　　};

　　class Derived : public Base

　　{

　　public:

　　virtual void f(float x){ cout << "Derived::f(float) " << x << endl; }

　　void g(int x){ cout << "Derived::g(int) " << x << endl; }

　　void h(float x){ cout << "Derived::h(float) " << x << endl; }

　　};

　　示例8-2-2（a）成員函數的重載、覆蓋和隱藏

　　據作者考察，很多C++程序員沒有意識到有“隱藏”這回事。由于熟悉不夠深刻，“隱藏”的發生可謂神出鬼沒，經常產生令人迷惑的結果。

　　示例8-2-2（b）中，bp和dp指向同一地址，按理說運行結果應該是相同的，可事實并非這樣。

　　void main(void)

　　{

　　Derived d;

　　Base *pb = &d;

　　Derived *pd = &d;

　　// Good : behavior depends solely on type of the object

　　pb->f(3.14f); // Derived::f(float) 3.14

　　pd->f(3.14f); // Derived::f(float) 3.14

　　// Bad : behavior depends on type of the pointer

　　pb->g(3.14f); // Base::g(float) 3.14

　　pd->g(3.14f); // Derived::g(int) 3 (surprise!)

　　// Bad : behavior depends on type of the pointer

　　pb->h(3.14f); // Base::h(float) 3.14 (surprise!)

　　pd->h(3.14f); // Derived::h(float) 3.14

　　}

　　示例8-2-2（b）重載、覆蓋和隱藏的比較

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　　8.2.3 擺脫隱藏

　　隱藏規則引起了不少麻煩。示例8-2-3程序中，語句pd->f(10)的本意是想調用函數Base::f(int)，但是Base::f(int)不幸被Derived::f(char *)隱藏了。由于數字10不能被隱式地轉化為字符串，所以在編譯時出錯。

　　class Base

　　{

　　public:

　　void f(int x);

　　};

　　class Derived : public Base

　　{

　　public:

　　void f(char *str);

　　};

　　void Test(void)

　　{

　　Derived *pd = new Derived;

　　pd->f(10); // error

　　}

　　示例8-2-3 由于隱藏而導致錯誤

　　從示例8-2-3看來，隱藏規則似乎很愚蠢。但是隱藏規則至少有兩個存在的理由：

　　u 寫語句pd->f(10)的人可能真的想調用Derived::f(char *)函數，只是他誤將參數寫錯了。有了隱藏規則，編譯器就可以明確指出錯誤，這未必不是好事。否則，編譯器會靜靜靜地將錯就錯，程序員將很難發現這個錯誤，流下禍根。

　　u 假如類Derived有多個基類（多重繼續），有時搞不清楚哪些基類定義了函數f。假如沒有隱藏規則，那么pd->f(10)可能會調用一個出乎意料的基類函數f。盡管隱藏規則看起來不怎么有道理，但它的確能消滅這些意外。

　　示例8-2-3中，假如語句pd->f(10)一定要調用函數Base::f(int)，那么將類Derived修改為如下即可。

　　class Derived : public Base

　　{

　　public:

　　void f(char *str);

　　void f(int x) { Base::f(x); }

　　};

　　8.3 參數的缺省值
　　有一些參數的值在每次函數調用時都相同，書寫這樣的語句會使人厭煩。C++語言采用參數的缺省值使書寫變得簡潔（在編譯時，缺省值由編譯器自動插入）。

　　參數缺省值的使用規則：

　　l 【規則8-3-1】參數缺省值只能出現在函數的聲明中，而不能出現在定義體中。

　　例如：

　　void Foo(int x=0, int y=0); // 正確，缺省值出現在函數的聲明中

　　void Foo(int x=0, int y=0) // 錯誤，缺省值出現在函數的定義體中

　　{

　　…

　　}

　　為什么會這樣？我想是有兩個原因：一是函數的實現（定義）本來就與參數是否有缺省值無關，所以沒有必要讓缺省值出現在函數的定義體中。二是參數的缺省值可能會改動，顯然修改函數的聲明比修改函數的定義要方便。

　　l 【規則8-3-2】假如函數有多個參數，參數只能從后向前挨個兒缺省，否則將導致函數調用語句怪模怪樣。

　　正確的示例如下：

　　void Foo(int x, int y=0, int z=0);

　　錯誤的示例如下：

　　void Foo(int x=0, int y, int z=0);

　　要注重，使用參數的缺省值并沒有賦予函數新的功能，僅僅是使書寫變得簡潔一些。它可能會提高函數的易用性，但是也可能會降低函數的可理解性。所以我們只能適當地使用參數的缺省值，要防止使用不當產生負面效果。示例8-3-2中，不合理地使用參數的缺省值將導致重載函數output產生二義性。

　　#include

　　void output( int x);

　　void output( int x, float y=0.0);

　　void output( int x)

　　{

　　cout << " output int " << x << endl ;

　　}

　　void output( int x, float y)

　　{

　　cout << " output int " << x << " and float " << y << endl ;

　　}

　　void main(void)

　　{

　　int x=1;

　　float y=0.5;

　　// output(x); // error! ambiguous call

　　output(x,y); // output int 1 and float 0.5

　　}

　　示例8-3-2 參數的缺省值將導致重載函數產生二義性

　　8.4 運算符重載
　　8.4.1 概念

　　在C++語言中，可以用要害字Operator加上運算符來表示函數，叫做運算符重載。
例如兩個復數相加函數：

　　Complex Add(const Complex &a, const Complex &b);

　　可以用運算符重載來表示：

　　Complex operator +(const Complex &a, const Complex &b);

　　運算符與普通函數在調用時的不同之處是：對于普通函數，參數出現在圓括號內；而對于運算符，參數出現在其左、右側。例如

　　Complex a, b, c;

　　…

　　c = Add(a, b); // 用普通函數

　　c = a + b; // 用運算符 +

　　假如運算符被重載為全局函數，那么只有一個參數的運算符叫做一元運算符，有兩個參數的運算符叫做二元運算符。

　　假如運算符被重載為類的成員函數，那么一元運算符沒有參數，二元運算符只有一個右側參數，因為對象自己成了左側參數。

　　從語法上講，運算符既可以定義為全局函數，也可以定義為成員函數。文獻[Murray , p44-p47]對此問題作了較多的闡述，并總結了表8-4-1的規則。

　　運算符
　　規則

　　所有的一元運算符
　　建議重載為成員函數

　　= () [] ->
　　只能重載為成員函數

　　+= -= /= *= &= = ~= %= >>= <<=
　　建議重載為成員函數

　　所有其它運算符
　　建議重載為全局函數

　　表8-4-1 運算符的重載規則

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