Виртуальный метод
Виртуальный метод (виртуальная функция) — в объектно-ориентированном программировании метод (функция) класса, который может быть переопределён в классах-наследниках так, что конкретная реализация метода для вызова будет определяться во время исполнения. Таким образом, программисту необязательно знать точный тип объекта для работы с ним через виртуальные методы: достаточно лишь знать, что объект принадлежит классу или наследнику класса, в котором метод объявлен.
Виртуальные методы — один из важнейших приёмов реализации полиморфизма. Они позволяют создавать общий код, который может работать как с объектами базового класса, так и с объектами любого его класса-наследника. При этом базовый класс определяет способ работы с объектами и любые его наследники могут предоставлять конкретную реализацию этого способа.
Одни языки программирования (например, C++, C#) требуют явно указывать, что данный метод является виртуальным. В других языках (например, Java, Python) все методы являются виртуальными по умолчанию (но только те методы, для которых это возможно; например в Java методы с доступом private не могут быть переопределены в связи с правилами видимости).
Базовый класс может и не предоставлять реализации виртуального метода, а только декларировать его существование. Такие методы без реализации называются «чистыми виртуальными» (перевод англ. pure virtual) или абстрактными. Класс, содержащий хотя бы один такой метод, тоже будет абстрактным. Объект такого класса создать нельзя (в некоторых языках допускается, но вызов абстрактного метода приведёт к ошибке). Наследники абстрактного класса должны предоставить реализацию для всех его абстрактных методов, иначе они, в свою очередь, будут абстрактными классами.
Для каждого класса, имеющего хотя бы один виртуальный метод, создаётся таблица виртуальных методов. Каждый объект хранит указатель на таблицу своего класса. Для вызова виртуального метода используется такой механизм: из объекта берётся указатель на соответствующую таблицу виртуальных методов, а из неё, по фиксированному смещению, — указатель на реализацию метода, используемого для данного класса. При использовании множественного наследования ситуация несколько усложняется за счёт того, что таблица виртуальных методов становится нелинейной.
Пример виртуальной функции на C++
Пример на C++, иллюстрирующий отличие виртуальных функций от невиртуальных:
Предположим, базовый класс Animal
(животное) может иметь виртуальный метод eat
(кушать). Подкласс (класс-потомок) Fish
(рыба) переопределит метод eat()
не так как его переопределит подкласс Wolf
(волк), но можно вызвать eat()
на любом экземпляре класса, унаследованного от класса Animal, и получить поведение eat()
, соответствующее данному подклассу.
class Animal {
public:
void /*невиртуальный*/ move(void) {
std::cout << "This animal moves in some way" << std::endl;
}
virtual void eat(void) {}
};
// Класс "Animal" может обладать определением метода eat() при необходимости.
class Llama : public Animal {
public:
// Невиртуальный метод move(), унаследован, но не переопределён
void eat(void) {
std::cout << "Llamas eat grass!" << std::endl;
}
};
Это позволяет программисту обрабатывать список объектов класса Animal
, вызывая над каждым объектом метод eat()
, не задумываясь о том к какому подклассу принадлежит текущий объект (то есть как питается конкретное животное).
Интересной деталью виртуальных функций в C++ является поведение аргументов по умолчанию. При вызове виртуальной функции с аргументом по умолчанию тело функции берется у реального объекта, а значения аргументов по типу ссылки или указателя.
Пример аналога виртуальных функций в PHP
Аналогом в PHP можно считать использование позднего статического связывания.
class A {
public static function a() {
return "вода";
}
public function __construct() {
echo static::a() . "\n"; // позднее статическое связывание
}
}
class B extends A {
public static function a() {
return "огонь";
}
}
new A(); // вода
new B(); // огонь
Пример виртуальной функции в Delphi
Язык Object Pascal, использующийся в Delphi, тоже поддерживает полиморфизм. Рассмотрим пример:
Объявим два класса. Предка (Ancestor):
TAncestor = class private protected public {Виртуальная процедура.} procedure VirtualProcedure; virtual; procedure StaticProcedure; end;
и его потомка (Descendant):
TDescendant = class(TAncestor) private protected public {Перекрытие виртуальной процедуры.} procedure VirtualProcedure; override; procedure StaticProcedure; end;
Как видно в классе предке объявлена виртуальная функция — VirtualProcedure
. Чтобы воспользоваться достоинствами полиморфизма, её нужно перекрыть в потомке.
Реализация выглядит следующим образом:
{ TAncestor } procedure TAncestor.StaticProcedure; begin ShowMessage('Ancestor static procedure.'); end; procedure TAncestor.VirtualProcedure; begin ShowMessage('Ancestor virtual procedure.'); end;
{ TDescendant } procedure TDescendant.StaticProcedure; begin ShowMessage('Descendant static procedure.'); end; procedure TDescendant.VirtualProcedure; begin ShowMessage('Descendant override procedure.'); end;
Посмотрим как это работает:
procedure TForm2.BitBtn1Click(Sender: TObject); var MyObject1: TAncestor; MyObject2: TAncestor; begin MyObject1 := TAncestor.Create; MyObject2 := TDescendant.Create; try MyObject1.StaticProcedure; MyObject1.VirtualProcedure; MyObject2.StaticProcedure; MyObject2.VirtualProcedure; finally MyObject1.Free; MyObject2.Free; end; end;
Заметьте, что в разделе var
мы объявили два объекта MyObject1
и MyObject2
типа TAncestor
. А при создании MyObject1
создали как TAncestor
, а MyObject2
как TDescendant
. Вот что мы увидим при нажатии на кнопку BitBtn1
:
- Ancestor static procedure.
- Ancestor virtual procedure.
- Ancestor static procedure.
- Descendant override procedure.
Для MyObject1
все понятно, просто вызвались указанные процедуры. А вот для MyObject2
это не так.
Вызов MyObject2.StaticProcedure;
привел к появлению «Ancestor static procedure.». Ведь мы объявили MyObject2: TAncestor
, поэтому и была вызвана процедура StaticProcedure;
класса TAncestor
.
А вот вызов MyObject2.VirtualProcedure;
привел к вызову VirtualProcedure;
реализованной в потомке(TDescendant
). Это произошло потому, что MyObject2
был создан не как TAncestor
, а как TDescendant
:
MyObject2 := TDescendant.Create;
. И виртуальный метод VirtualProcedure
был перекрыт.
В Delphi полиморфизм реализован с помощью так называемой виртуальной таблицы методов (или VMT).
Достаточно часто виртуальные методы забывают перекрыть с помощью ключевого слова override
. Это приводит к закрытию метода. В этом случае замещения методов в VMT не произойдет и требуемая функциональность не будет получена.
Эта ошибка отслеживается компилятором, который выдаёт соответствующее предупреждение.
Пример виртуального метода на C#
Пример виртуального метода на C#. В примере используется ключевое слово base
, предоставляющая доступ к методу a()
родительского (базового) класса A.
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
A myObj = new B();
Console.ReadKey();
}
}
//Базовый класс A
public class A
{
public virtual string a()
{
return "огонь";
}
}
//Произвольный класс B наследующий класс A
class B : A
{
public override string a()
{
return "вода";
}
public B()
{
//Выводим результат возвращаемый переопределенным методом
Console.Out.WriteLine(a()); //вода
//Выводим результат возвращаемый методом родительского класса
Console.Out.WriteLine(base.a()); //огонь
}
}
Вызов метода предка из перекрытого метода
Бывает необходимо вызвать метод предка в перекрытом методе.
Объявим два класса. Предка(Ancestor):
TAncestor = class private protected public {Виртуальная процедура.} procedure VirtualProcedure; virtual; end;
и его потомка (Descendant):
TDescendant = class(TAncestor) private protected public {Перекрытие виртуальной процедуры.} procedure VirtualProcedure; override; end;
Обращение к методу предка реализуется с помощью ключевого слова «inherited»
procedure TDescendant.VirtualProcedure; begin inherited; end;
Стоит помнить, что в Delphi деструктор должен быть обязательно перекрытым — «override» — и содержать вызов деструктора предка
TDescendant = class(TAncestor) private protected public destructor Destroy; override; end;
destructor TDescendant. Destroy; begin inherited; end;
В языке C++ не нужно вызывать конструктор и деструктор предка, деструктор должен быть виртуальным. Деструкторы предков вызовутся автоматически. Чтобы вызвать метод предка, нужно явно вызвать метод:
class Ancestor
{
public:
virtual void function1 () { printf("Ancestor::function1"); }
};
class Descendant : public Ancestor
{
public:
virtual void function1 () {
printf("Descendant::function1");
Ancestor::function1(); // здесь будет напечатано "Ancestor::function1"
}
};
Для вызова конструктора предка нужно указать конструктор:
class Descendant : public Ancestor
{
public:
Descendant(): Ancestor(){}
};
Ещё примеры
- Первый пример
class Ancestor
{
public:
virtual void function1 () { cout << "Ancestor::function1()" << endl; }
void function2 () { cout << "Ancestor::function2()" << endl; }
};
class Descendant : public Ancestor
{
public:
virtual void function1 () { cout << "Descendant::function1()" << endl; }
void function2 () { cout << "Descendant::function2()" << endl; }
};
Descendant* pointer = new Descendant ();
Ancestor* pointer_copy = pointer;
pointer->function1 ();
pointer->function2 ();
pointer_copy->function1 ();
pointer_copy->function2 ();
В этом примере класс Ancestor
определяет две функции, одну из них виртуальную, другую — нет. Класс Descendant
переопределяет обе функции. Однако, казалось бы одинаковое обращение к функциям даёт разные результаты. На выводе программа даст следующее:
Descendant::function1() Descendant::function2() Descendant::function1() Ancestor::function2()
То есть, для определения реализации виртуальной функции используется информация о типе объекта и вызывается «правильная» реализация, независимо от типа указателя. При вызове невиртуальной функции, компилятор руководствуется типом указателя или ссылки, поэтому вызываются две разные реализации function2()
, несмотря на то, что используется один и тот же объект.
Следует отметить, что в С++ можно, при необходимости, указать конкретную реализацию виртуальной функции, фактически вызывая её невиртуально:
pointer->Ancestor::function1 ();
для нашего примера выведет Ancestor::function1(), игнорируя тип объекта.
- Второй пример
class A
{
public:
virtual int function () {
return 1;
}
int get() {
return this->function();
}
};
class B: public A
{
public:
int function() {
return 2;
}
};
#include <iostream>
int main() {
B b;
std::cout << b.get() << std::endl; // 2
return 0;
}
Несмотря на то, что в классе B отсутствует метод get(), его можно позаимствовать у класса A, при этом результат работы этого метода вернет вычисления для B::function()!