[Effective C++系列]－为多态基类声明Virtual析构函数

Declare destructors virtual in polymorphic base classes.

 

• ［原理］

C++指出，当derived class对象经由一个由base class类型的指针删除时，如果这个base class 拥有一个non－virtual的析构函数，那个析构的结果将是未定义的。即通常情况下是该对象的base class成分会被析构掉，但是其derived class成分没有被销毁，甚至连derived class的析构函数也不会被调用。

于是形成一个被“局部销毁”的对象，造成资源泄漏。

 

• ［示例］

例如：

class car
{
public:
     car();
     ~car();
     ...   
};
 
class diesel_car : public car {…};
class solar_car: public car {…};
class electric_car : public car {…};

当客户代码中使用汽车对象时，如果他不关心使用的是具体哪一类汽车这个细节，那么我们可以设计一个工厂函数（或者工厂类）负责创建一个汽车对象，该工厂函数返回一个base class指针或者引用，指向新生成的derived class对象：

car* get_car();

为遵守工厂函数的规矩，返回的对象必须位于heap（否则函数返回的指针在函数返回后将指向一个非法的位置，因为位于stack的对象的生命周期为函数域），因此为了避免内存泄漏，需要客户代码将工厂函数返回的对象适当地delete掉：

car* p_car = get_car();      // 从car继承体系中获得一个动态分配对象
…                            // 使用这个对象
delete p_car;                // 释放这个对象以避免内存泄漏

首先需要说明，上述做法已经存在两个缺陷：

1.依赖客户代码执行delete操作，带有错误倾向，客户可能会忘记做这件事。

2.工厂函数结构应该考虑预防常见的客户代码错误。

 

但是最根本的弱点在于：客户代码根本无法将返回的derived class对象彻底销毁。

 

简单的做法便是：为base class定义一个virtual析构函数。此后删除derived class对象就会销毁这个对象，包括所有的derived class成分。

class car
{
public:
     car();
     virtual ~car();
     ...   
};

 

• ［引申1］

当一个类需要被用作多态（Polymorphism）时，就应该为该类声明一个virtual析构函数，即任何class只要带有virtual函数都几乎确定应该也有一个virtual析构函数。

 

但是，如果class没有virtual函数，即不被用作多态用途，通常意味着它并不意图被用作一个base class（除了某些特殊情况，如noncopyable类）。当class不被用作base class时，最好不要为其定义一个析构函数。

因为C++中将函数定义为virtual是有代价的，这个代价就是虚表指针virtual table pointer。

 

欲实现virtual函数，对象必须携带某种信息，用于在运行期决定调用哪一个virtual函数。这份信息通常是由一个所谓的vptr（virtual table pointer）指针指出。vptr指向一个有函数指针构成的数组，成为vtbl（virtual table）；每一个带有virtual函数的class都有一个相应的vtbl。当对对象调用某一virtual函数，是及被调用的函数取决于该对象的vptr所指向的那个vtbl——编译器在其中寻找适当的函数指针。

 

因此，每一个定义了virtual函数的class的对象都包含一个vptr。这样一来，对象的体积会因为virtual函数的存在而增加。

 

例如：

class point
{
public:
     point(int coord_x, int coord_y);
     ~point();
private:
     int x, y;
};

32位系统中，int类型占32bits，因此point对象一共占64bits，可以被塞入一个64bit缓存器中，甚至可以被当作一个“64bit 量”传给其他语言如C活着FORTRAN编写的函数。

但是如果point内含析构函数时，point对象占用的空间将是96bits，（2个ints加1个vptr）。对象体积从64bits增加到96bits。

而在64bit计算机体系结构中，point对象将占用128bits（因为指针类型占用64bits）。对象体积从64bits增加到128bits。

 

这样的对象将无法被塞入一个64-bit缓存器中，而C++的point对象也不再和其他语言（如C）内的相同声明有着一样的结构，因此也就无法将其传递到其他语言编写的函数中，因此不再有移植性。

因此，将不用作多态用途的class的析构函数声明为virtual是不合理的。只有当class内至少含有一个virtual函数时才应该将其析构函数声明为virtual。

 

• ［引申2］

不要试图继承任何带有non-virtual析构函数的类，包括所有STL容器如vector，list, set, unordered_map, string等等。因为这会导致资源泄漏！

不幸的是C++中没有提供类似java的final classes或者c#中的sealed classes那样的“禁止派生”机制。

 

• ［引申3］

当希望将一个class定义为抽象class（pure virtual class），但有没有任何pure virtual函数时，为这个class声明一个pure virtual析构函数是很便利的。

class abstract_class
{
public:
     virtual ~abstract_class() = 0;
};

但是要注意：必须为这个pure virtual析构函数提供一份定义：

abstract_class::~abstract_class(){}

 

因为析构函数的运作方式是：最深层派生（most derived）的那个class的析构函数最先被调用，然后是其每一个base class的析构函数被调用。编译器会在 abstract_class的derived classes中创建一个对～abstract_class的调用动作，所以必须为～abstract_class提供定义，否则链接器会报错。

 

• ［总结］

1.polymorphic （带多态性质的）base classes 应该声明一个virtual析构函数。如果class 带有任何virtual函数，就应该为其声明一个virtual析构函数。因为这样的base class设计出来的目的就是用来“通过base class 接口处理derived class对象”。

2.有些class原本就不是设计作为base class使用，或者就算是作为base class 也不具备多态性，这样的class就不应该声明为virtual析构函数。

 

• ［补充］

默认生成的析构函数是public且non-virtual的。