Was sind virtuelle Funktionen in C und wie ermöglichen sie Polymorphismus?

Was sind virtuelle Funktionen in C und wie ermöglichen sie Polymorphismus?

Virtuelle Funktionen und Polymorphismus verstehen

In C sind virtuelle Funktionen Mitgliedsfunktionen, die in einer Klasse unter Verwendung des virtual Schlüsselworts deklariert sind. Ihr Hauptzweck ist es, Polymorphismus, ein leistungsstarkes objektorientiertes Programmierkonzept (OOP), zu ermöglichen, mit dem Sie Objekte verschiedener Klassen auf einheitliche Weise behandeln können. Dies wird durch Laufzeitversand erreicht.

Wenn eine virtuelle Funktion auf ein Objekt aufgerufen wird, wird die tatsächliche Funktion nicht zum Kompilierungszeit (statische Bindung) nicht ermittelt. Stattdessen wird es bei der Laufzeit (dynamische Bindung) basierend auf dem dynamischen Typ des Objekts (dem Typ des Objekts zur Laufzeit) ermittelt. Dies bedeutet, dass, wenn Sie einen Zeiger der Basisklassen haben, der auf ein abgeleitetes Klassenobjekt zeigt und der Zeiger eine virtuelle Funktion aufruft, die Version dieser Funktion der abgeleiteten Klasse ausgeführt wird.

Lassen Sie uns mit einem Beispiel veranschaulichen:

 <code class="c  ">class Animal { public: virtual void makeSound() { // Virtual function std::cout makeSound(); // Output: Woof! (Runtime polymorphism) animal = new Cat(); animal->makeSound(); // Output: Meow! (Runtime polymorphism) delete animal; return 0; }</code>

In diesem Beispiel ist makeSound eine virtuelle Funktion. Obwohl animal als Animal deklariert wird, wird die richtige makeSound (entweder Dog oder Cat ) zur Laufzeit abhängig vom tatsächlichen Objekttyp aufgerufen. Dies ist die Essenz des Polymorphismus, das durch virtuelle Funktionen ermöglicht wird. Ohne das virtual Schlüsselwort würde die Version des Animal von makeSound immer aufgerufen, unabhängig vom tatsächlichen Objekttyp (statischer Versand).

Warum sind virtuelle Funktionen für die objektorientierte Programmierung in C wichtig?

Die Bedeutung virtueller Funktionen in OOP

Virtuelle Funktionen sind entscheidend, um mehrere wichtige OOP -Prinzipien zu erreichen:

• Polymorphismus: Wie oben diskutiert, sind sie die Grundlage für den Laufzeitpolymorphismus, sodass Sie flexible und erweiterbare Code schreiben können, mit dem Objekte unterschiedlicher Klassen einheitlich verarbeitet werden können. Dies vermeidet die Notwendigkeit einer umfangreichen bedingten Logik, die auf Objekttypen basiert.
• Erweiterbarkeit: Sie können problemlos neue abgeleitete Klassen hinzufügen, ohne den vorhandenen Basisklassencode zu ändern. Der virtuelle Funktionsmechanismus übernimmt automatisch Aufrufe zur entsprechenden überschriebenen Funktion in der abgeleiteten Klasse.
• Wiederverwendbarkeit der Code: Virtuelle Funktionen fördern die Wiederverwendbarkeit des Codes, indem abgeleitete Klassen die Funktionalität der Basisklasse erben und erweitert werden können, ohne die gesamte Funktion neu zu schreiben. Sie ermöglichen eine Spezialisierung des Verhaltens.
• Abstraktion: Virtuelle Funktionen tragen zur Abstraktion bei, indem es Implementierungsdetails versteckt. Der Client -Code interagiert mit der Basisklassenschnittstelle, ohne die spezifischen Implementierungsdetails der abgeleiteten Klassen zu bewusst.

Wie unterscheiden sich die virtuellen Funktionen von regulären Mitgliederfunktionen in C?

Virtuelle und reguläre Mitgliederfunktionen

Der Hauptunterschied liegt darin, wie sie gebunden sind:

• Virtuelle Funktionen: zur Laufzeit gebunden (dynamischer Versand). Die entsprechende Funktion wird basierend auf dem dynamischen Typ des Objekts zum Zeitpunkt des Funktionsaufrufs bestimmt. Sie benötigen eine virtuelle Funktionstabelle (VTABLE), um diese Laufzeitbindung zu erreichen.
• Reguläre Mitgliederfunktionen: zur Kompilierung Zeit gebunden (statischer Versand). Der Compiler bestimmt, welche Funktion basierend auf dem statischen Typ des Objekts aufgerufen werden soll (der im Code deklarierte Typ). Es ist kein VTable beteiligt.

Ein weiterer Unterschied ist das virtual Schlüsselwort. Virtuelle Funktionen werden mit dem virtual Schlüsselwort in der Basisklasse deklariert. Abgeleitete Klassen können sie mit dem Schlüsselwort override (C 11 und später) überschreiben. Regelmäßige Mitgliederfunktionen verwenden das virtual Keyword nicht. Überschreiben einer nicht virtuellen Funktion in einer abgeleiteten Klasse erstellt einfach eine neue, separate Funktion; Es ersetzt die Funktion der Basisklasse nicht so, wie es eine virtuelle Funktion überschreibt.

Was sind die Auswirkungen der Leistung bei der Verwendung virtueller Funktionen in C?

Leistungsauswirkungen virtueller Funktionen

Während virtuelle Funktionen erhebliche Vorteile hinsichtlich der Code -Flexibilität und -wartbarkeit bieten, führen sie einige Leistungsaufwand ein:

• VTABLE OVED: Jede Klasse mit virtuellen Funktionen hat eine zugehörige VTABLE, die eine Tabelle der Funktionszeiger ist. Dies fügt eine kleine Menge Speicheraufwand hinzu.
• Indirekter Funktionsaufruf: Aufrufen einer virtuellen Funktion beinhaltet einen indirekten Funktionsaufruf über die VTABLE. Dieser indirekte Aufruf ist im Allgemeinen langsamer als ein direkter Funktionsaufruf einer regulären Mitgliederfunktion. Der Compiler kann den indirekten Aufruf nicht optimieren, da er zur Kompilierzeit nicht weiß, welche Funktion ausgeführt wird.

Die Leistungsauswirkungen sind jedoch in den meisten Anwendungen in der Regel vernachlässigbar. Der Aufruf eines einzelnen virtuellen Funktionsaufrufs ist gering, und die Vorteile von Polymorphismus und Code -Wartbarkeit überwiegen häufig die geringfügigen Leistungskosten. Nur in extrem leistungskritischen Codeabschnitten kann die Leistungsauswirkungen erheblich werden. Moderne Compiler verwenden auch verschiedene Optimierungstechniken, um den Aufwand virtueller Funktionsaufrufe zu minimieren. Profilerstellung wird empfohlen, um tatsächliche Leistung Engpässe in realen Szenarien zu identifizieren. Frühgeborene Optimierung, die ausschließlich auf der Verwendung virtueller Funktionen basiert, ist oft unnötig.

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