高质量C++/C编程指南 -- 第8章 C++函数的高级特性

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高质量C++/C编程指南 -- 第8章 C++函数的高级特性


作者: 林锐 博士


第8章 C++函数的高级特性
对比于C语言的函数，C++增加了重载（overloaded）、内联（inline）、const和virtual四种新机制。其中重载和内联机制既可用于全局函数也可用于类的成员函数，const与virtual机制仅用于类的成员函数。

重载和内联肯定有其好处才会被C++语言采纳，但是不可以当成免费的午餐而滥用。本章将探究重载和内联的优点与局限性，说明什么情况下应该采用、不该采用以及要警惕错用。

8.1 函数重载的概念
8.1.1 重载的起源

自然语言中，一个词可以有许多不同的含义，即该词被重载了。人们可以通过上下文来判断该词到底是哪种含义。“词的重载”可以使语言更加简练。例如“吃饭”的含义十分广泛，人们没有必要每次非得说清楚具体吃什么不可。别迂腐得象孔已己，说茴香豆的茴字有四种写法。

在C++程序中，可以将语义、功能相似的几个函数用同一个名字表示，即函数重载。这样便于记忆，提高了函数的易用性，这是C++语言采用重载机制的一个理由。例如示例8-1-1中的函数EatBeef,EatFish,EatChicken可以用同一个函数名Eat表示，用不同类型的参数加以区别。





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

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

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




示例8-1-1 重载函数Eat



C++语言采用重载机制的另一个理由是：类的构造函数需要重载机制。因为C++规定构造函数与类同名（请参见第9章），构造函数只能有一个名字。如果想用几种不同的方法创建对象该怎么办？别无选择，只能用重载机制来实现。所以类可以有多个同名的构造函数。



8.1.2 重载是如何实现的？

几个同名的重载函数仍然是不同的函数，它们是如何区分的呢？我们自然想到函数接口的两个要素：参数与返回值。

如果同名函数的参数不同（包括类型、顺序不同），那么容易区别出它们是不同的函数。

如果同名函数仅仅是返回值类型不同，有时可以区分，有时却不能。例如：

void Function(void);

int Function (void);

上述两个函数，第一个没有返回值，第二个的返回值是int类型。如果这样调用函数：

int x = Function ();

则可以判断出Function是第二个函数。问题是在C++/C程序中，我们可以忽略函数的返回值。在这种情况下，编译器和程序员都不知道哪个Function函数被调用。

所以只能靠参数而不能靠返回值类型的不同来区分重载函数。编译器根据参数为每个重载函数产生不同的内部标识符。例如编译器为示例8-1-1中的三个Eat函数产生象_eat_beef、_eat_fish、_eat_chicken之类的内部标识符（不同的编译器可能产生不同风格的内部标识符）。



如果C++程序要调用已经被编译后的C函数，该怎么办？

假设某个C函数的声明如下：

void foo(int x, int y);

该函数被C编译器编译后在库中的名字为_foo，而C++编译器则会产生像_foo_int_int之类的名字用来支持函数重载和类型安全连接。由于编译后的名字不同，C++程序不能直接调用C函数。C++提供了一个C连接交换指定符号extern“C”来解决这个问题。例如：

extern “C”

{

void foo(int x, int y);

… // 其它函数

}

或者写成

extern “C”

{

#include “myheader.h”

… // 其它C头文件

}

这就告诉C++编译译器，函数foo是个C连接，应该到库中找名字_foo而不是找_foo_int_int。C++编译器开发商已经对C标准库的头文件作了extern“C”处理，所以我们可以用＃include 直接引用这些头文件。



注意并不是两个函数的名字相同就能构成重载。全局函数和类的成员函数同名不算重载，因为函数的作用域不同。例如：

void Print(…); // 全局函数

class A

{…

void Print(…); // 成员函数

}

不论两个Print函数的参数是否不同，如果类的某个成员函数要调用全局函数Print，为了与成员函数Print区别，全局函数被调用时应加‘::’标志。如

::Print(…); // 表示Print是全局函数而非成员函数



8.1.3 当心隐式类型转换导致重载函数产生二义性

示例8-1-3中，第一个output函数的参数是int类型，第二个output函数的参数是float类型。由于数字本身没有类型，将数字当作参数时将自动进行类型转换（称为隐式类型转换）。语句output(0.5)将产生编译错误，因为编译器不知道该将0.5转换成int还是float类型的参数。隐式类型转换在很多地方可以简化程序的书写，但是也可能留下隐患。



# include <iostream.h>

void output( int x); // 函数声明

void output( float x); // 函数声明



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, 因为自动类型转换

output(int(0.5)); // output int 0

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

}


示例8-1-3 隐式类型转换导致重载函数产生二义性



8.2 成员函数的重载、覆盖与隐藏
成员函数的重载、覆盖（override）与隐藏很容易混淆，C++程序员必须要搞清楚概念，否则错误将防不胜防。



8.2.1 重载与覆盖

成员函数被重载的特征：

（1）相同的范围（在同一个类中）；

（2）函数名字相同；

（3）参数不同；

（4）virtual关键字可有可无。

覆盖是指派生类函数覆盖基类函数，特征是：

（1）不同的范围（分别位于派生类与基类）；

（2）函数名字相同；

（3）参数相同；

（4）基类函数必须有virtual关键字。

示例8-2-1中，函数Base::f(int)与Base::f(float)相互重载，而Base::g(void)被Derived::g(void)覆盖。



#include <iostream.h>

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成员函数的重载和覆盖



8.2.2 令人迷惑的隐藏规则

本来仅仅区别重载与覆盖并不算困难，但是C++的隐藏规则使问题复杂性陡然增加。这里“隐藏”是指派生类的函数屏蔽了与其同名的基类函数，规则如下：

（1）如果派生类的函数与基类的函数同名，但是参数不同。此时，不论有无virtual关键字，基类的函数将被隐藏（注意别与重载混淆）。

（2）如果派生类的函数与基类的函数同名，并且参数也相同，但是基类函数没有virtual关键字。此时，基类的函数被隐藏（注意别与覆盖混淆）。

示例程序8-2-2（a）中：

（1）函数Derived::f(float)覆盖了Base::f(float)。

（2）函数Derived::g(int)隐藏了Base::g(float)，而不是重载。

（3）函数Derived::h(float)隐藏了Base::h(float)，而不是覆盖。



#include <iostream.h>

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）成员函数的重载、覆盖和隐藏



据作者考察，很多C++程序员没有意识到有“隐藏”这回事。由于认识不够深刻，“隐藏”的发生可谓神出鬼没，常常产生令人迷惑的结果。

示例8-2-2（b）中，bp和dp指向同一地址，按理说运行结果应该是相同的，可事实并非这样。



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） 重载、覆盖和隐藏的比较

8.2.3 摆脱隐藏

隐藏规则引起了不少麻烦。示例8-2-3程序中，语句pd->f(10)的本意是想调用函数Base::f(int)，但是Base::f(int)不幸被Derived::f(char *)隐藏了。由于数字10不能被隐式地转化为字符串，所以在编译时出错。



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 由于隐藏而导致错误



从示例8-2-3看来，隐藏规则似乎很愚蠢。但是隐藏规则至少有两个存在的理由：

u 写语句pd->f(10)的人可能真的想调用Derived::f(char *)函数，只是他误将参数写错了。有了隐藏规则，编译器就可以明确指出错误，这未必不是好事。否则，编译器会静悄悄地将错就错，程序员将很难发现这个错误，流下祸根。

u 假如类Derived有多个基类（多重继承），有时搞不清楚哪些基类定义了函数f。如果没有隐藏规则，那么pd->f(10)可能会调用一个出乎意料的基类函数f。尽管隐藏规则看起来不怎么有道理，但它的确能消灭这些意外。



示例8-2-3中，如果语句pd->f(10)一定要调用函数Base::f(int)，那么将类Derived修改为如下即可。

class Derived : public Base

{

public:

void f(char *str);

void f(int x) { Base::f(x); }

};

8.3 参数的缺省值
有一些参数的值在每次函数调用时都相同，书写这样的语句会使人厌烦。C++语言采用参数的缺省值使书写变得简洁（在编译时，缺省值由编译器自动插入）。

参数缺省值的使用规则：

l 【规则8-3-1】参数缺省值只能出现在函数的声明中，而不能出现在定义体中。

例如：

void Foo(int x=0, int y=0); // 正确，缺省值出现在函数的声明中



void Foo(int x=0, int y=0) // 错误，缺省值出现在函数的定义体中

{

…

}

为什么会这样？我想是有两个原因：一是函数的实现（定义）本来就与参数是否有缺省值无关，所以没有必要让缺省值出现在函数的定义体中。二是参数的缺省值可能会改动，显然修改函数的声明比修改函数的定义要方便。



l 【规则8-3-2】如果函数有多个参数，参数只能从后向前挨个儿缺省，否则将导致函数调用语句怪模怪样。

正确的示例如下：

void Foo(int x, int y=0, int z=0);

错误的示例如下：

void Foo(int x=0, int y, int z=0);



要注意，使用参数的缺省值并没有赋予函数新的功能，仅仅是使书写变得简洁一些。它可能会提高函数的易用性，但是也可能会降低函数的可理解性。所以我们只能适当地使用参数的缺省值，要防止使用不当产生负面效果。示例8-3-2中，不合理地使用参数的缺省值将导致重载函数output产生二义性。



#include <iostream.h>

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 参数的缺省值将导致重载函数产生二义性

8.4 运算符重载
8.4.1 概念

在C++语言中，可以用关键字operator加上运算符来表示函数，叫做运算符重载。例如两个复数相加函数：

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

可以用运算符重载来表示：

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

运算符与普通函数在调用时的不同之处是：对于普通函数，参数出现在圆括号内；而对于运算符，参数出现在其左、右侧。例如

Complex a, b, c;

…

c = Add(a, b); // 用普通函数

c = a + b; // 用运算符 +

如果运算符被重载为全局函数，那么只有一个参数的运算符叫做一元运算符，有两个参数的运算符叫做二元运算符。

如果运算符被重载为类的成员函数，那么一元运算符没有参数，二元运算符只有一个右侧参数，因为对象自己成了左侧参数。

从语法上讲，运算符既可以定义为全局函数，也可以定义为成员函数。文献[Murray , p44-p47]对此问题作了较多的阐述，并总结了表8-4-1的规则。



运算符
规则

所有的一元运算符
建议重载为成员函数

= () [] ->
只能重载为成员函数

+= -= /= *= &= |= ~= %= >>= <<=
建议重载为成员函数

所有其它运算符
建议重载为全局函数


表8-4-1 运算符的重载规则



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