前言

函数名联编（binding）：将源代码中的函数调用解释为执行特定的函数代码块的过程。

静态联编：在编译过程中进行联编叫作静态联编。

动态联编：程序运行时才选择需要执行的代码叫作动态联编。

指针和引用的兼容性

将派生类引用或指针转换为基类引用或指针，称为向上强制转换，可隐式。示例如下：

class Animal {  /* 基类 */
};

class Dog: public Animal {  /* 派生类 */
};

int main() {
    Animal* dogOne = new Dog();
    /* `new Dog()`返回派生类指针，但可以赋值给基类指针`dogOne` */

    Dog dogTwo;
    Animal& dogTwoRef = dogTwo;  /* 基类引用指向了派生类对象 */
    return 0;
}

上述代码中，new Dog()返回派生类指针，但可以赋值给基类指针dogOne；作为基类引用的dogTwoRef指向了派生类对象dogTwo。编译这段代码不会报错，这是因为C++允许这样，本质上是发生了向上强制转换，体现了指针和引用的兼容性。

基类指针或引用转换为派生类指针或引用被称为向下强制转换，要求必须显式地转换。

静态联编与动态联编

设计一个类时，可以将成员函数设计为虚函数（virtual）和非虚函数，函数“虚不虚”，直接影响了编译器对代码的处理方式。这里有一个结论：编译器对非虚函数使用静态联编；对虚函数使用动态联编。

通过一个简单示例，我们看看里边区别：

class Animal {
public:
    void run() { cout << "not implemented." << endl; }  /* 非虚函数 */
    virtual void fly() { cout << "not implemented." << endl; }  /* 虚函数 */
};

class Dog: public Animal {
public:
    void run() { cout << "can run." << endl; }
    void fly() { cout << "can not fly." << endl; }
};

int main() {
    Animal* dog = new Dog();  /* 用基类指针指向派生类对象地址 */
    /* 注意run()与fly()的输出 */
    dog->run();
    dog->fly();
    return 0;
}
// 输出：
not implemented.
can not fly.

由于还不知道作为派生类的具体动物（狗、猫、鱼、鸟等）会不会飞，会不会跑，所以让基类Animal中的run()和fly()直接打印“未完成”，希望后面的设计人员来设计。

现在设计了一个狗（派生类Dog），它会跑但不会飞，如上述代码那样。最后用基类指针Animal*管理派生类对象new Dog()，调用run()和fly()。可以从输出结果中看到，dog->run()调用的是基类版的run()，所以输出“not implemented.”；而dog->fly()调用的是派生类版的fly，因此打印“can not fly.”。

会出现这种结果，是因为基类Animal中的run()是非虚函数，编译器静态联编，此时它将根据定义类型寻找方法，定义类型是Animal*，所以找到了基类版的run()。而fly()是虚函数，编译器动态联编，当程序执行到调用语句，它会根据对象类型寻找方法，对象类型是Dog*（new Dog()的返回对象），所以找到了派生类的fly()。

大多时候，为让代码具有多态特性，通过基类指针或引用管理派生类对象是常见手段。同时要让代码清晰明辨，一般会把派生类中重新定义的虚函数也标志为virtual，上述代码最好写成这样：

class Dog: public Animal {
public:
    void run() { cout << "can run." << endl; }
    virtaul void fly() { cout << "can not fly." << endl; }
};

动态联编的缺点

尽管动态联编看上去优质，然而动态联编和静态联编同时存在C++中，设计是有讲究的，主要基于以下两点：

效率：动态联编需要跟踪基类指针或引用指向的对象类型，这将增加额外的处理开销。C++的指导原则之一是：不要为不使用的特性付出代价。并非所有的基类方法都需要多态，所以如果全部采取动态联编一定会损耗性能。
概念模式：（virtual）标记出需要重新定义的函数，让代码呈现更清晰的意图。

虚函数工作原理

虚函数的一种实现机制：

编译器给每个对象添加一个隐藏成员，隐藏成员中保存了一个指向虚函数表的指针；
虚函数表中存储了为类对象进行声明的虚函数的地址；
如果派生类提供了虚函数的新定义，该虚函数表将保存新函数的地址；
如果派生类定义了新的虚函数，该函数的地址也将添加到虚函数表中；
调用虚函数时，程序会找到对象的虚函数表，然后查找相应的函数的地址，最后执行。

执行虚函数带来的成本：

每个对象都将增大，增大的是存储地址的空间；
对于每个类，编译器都会创建一个虚函数地址表；
对于每个函数调用，都需要执行额外操作，即到虚函数表中查询函数地址。

虚函数注意项

虚函数的好处显而易见，但有些地方仍要留心注意：

（1）基类中用virtual修饰方法，可使该方法在基类及其所有派生类中都是虚的；
（2）构造函数不能是虚函数。这是因为派生类不继承基类的构造函数，所以将构造函数声明为虚函数没有意义；
（3）友元不能是虚函数，因为友元不是类成员，只有类成员才能使虚函数；
（4）最好为每一个基类提供一个虚析构函数，即便它并不需要析构函数。如果析构函数非虚，此时基类指针管理派生类对象，对该指针做delete，只会执行基类的析构函数，而不会执行派生类的，可能造成内存泄露：

class Animal {
public:
    ~Animal() { cout << "~Animal() called" << endl; }
};

class Dog: public Animal {
public:
    ~Dog() { cout << "~Dog() called" << endl; }
};

int main() {
    Animal* dog = new Dog();  /* 基类指针管理派生类对象 */
    delete dog;
    return 0;
}
// 输出：
~Animal() called  /* 不会执行 ~Dog() */

（5）如果派生类没有重新定义函数，使用该函数的基类版本；
（6）重新定义不会生成函数的两个重载版本，而是隐藏该方法的基类版本。比方基类中是void run() {...} 而派生类中是void run(bool isFast) {...}。对派生类对象来说，如果直接调用run()是会报错的，因为void run()已经被隐藏了，能被调用的是void run(bool isFast)。

由第6点引出的两条经验：

如果重新定义继承的方法，应确保与原来的原型完全相同。但返回类型协变除外。即，如果存在某个虚方法需要返回数据的类型是类：

class Animal {
public:
    virtual Animal get_kind();
};

此时允许返回类型跟随类改变：

class Dog: public Animal {
public:
    virtual Dog get_kind();
};

如果基类声明被重载了，则应该在派生类中重新定义所的基类版本（否则派生类指针管理派生类对象时，无法使用被重载了的、其他版本的方法）：

class Animal {
public:
    /* 因为重载，而存在许多版本的greet() */
    virtual void greet();
    virtual void greet(string who);
    virtual void greet(int count);
    ...
};

比较好的方式是，如果其他版本的greet()没有改动，那么直接调用基类对应版本的greet()：

class Dog: public Animal {
public:
    virtual void greet() { ... }
    virtual void greet(string who) { Animal::greet(who); }
    virtual void greet(int count) { Animal::greet(count); }
    ...
};

总结

需要被重新定义的基类的方法，应该被声明为虚函数；
虚函数根据对象类型找方法，非虚函数根据定义类型找方法；
最好为每个类都声明一个虚析构函数。

Guan

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