高品質C++/C編程指南 – 第8章 C++函數的進階特性

第8章 C++函數的進階特性

對比於C語言的函數，C++增加了重載（overloaded）、內聯（inline）、const和virtual四種新機制。其中重載和內聯機制既可用於全域函數也可用於類的成員函數，const與virtual機制僅用於類的成員函數。

重載和內聯肯定有其好處才會被C++語言採納，但是不可以當成免費的午餐而濫用。本章將探究重載和內聯的優點與局限性，說明什麼情況下應該採用、不該採用以及要警惕錯用。

8.1 函數重載的概念 8.1.1 重載的起源

自然語言中，一個詞可以有許多不同的含義，即該詞被重載了。人們可以通過上下文來判斷該詞到底是哪種含義。“詞的重載”可以使語言更加簡練。例如“吃飯”的含義十分廣泛，人們沒有必要每次非得說清楚具體吃什麼不可。別迂腐得象孔已己，說茴香豆的茴字有四種寫法。

在C++程式中，可以將語義、功能相似的幾個函數用同一個名字表示，即函數載。這樣便於記憶，提高了函數的易用性，這是C++語言採用重載機制的一個理由。例如樣本8-1-1中的函數EatBeef,EatFish,EatChicken可以用同一個函數名Eat表示，用不同類型的參數加以區別。

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

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

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

樣本8-1-1 重載函數Eat

C++語言採用重載機制的另一個理由是：類的建構函式需要重載機制。因為C++規定建構函式與類同名（請參見第9章），建構函式只能有一個名字。如果想用幾種不同的方法建立對象該怎麼辦？別無選擇，只能用重載機制來實現。所以類可以有多個同名的建構函式。

8.1.2 重載是如何?的？ 幾個同名的重載函數仍然是不同的函數，它們是如何區分的呢？我們自然想到函數介面的兩個要素：參數與傳回值。

如果同名函數的參數不同（包括類型、順序不同），那麼容易區別出它們是不同的函數。如果同名函數僅僅是傳回值類型不同，有時可以區分，有時卻不能。例如： void Function(void); int Function (void);

上述兩個函數，第一個沒有傳回值，第二個的傳回值是int類型。如果這樣調用函數： int x = Function (); 則可以判斷出Function是第二個函數。問題是在C++/C程式中，我們可以忽略函數的傳回值。在這種情況下，編譯器和程式員都不知道哪個Function函數被調用。所以只能靠參數而不能靠傳回值類型的不同來區分重載函數。編譯器根據參數為每個重載函數產生不同的內部標識符。例如編譯器為樣本8-1-1中的三個Eat函數產生象_eat_beef、_eat_fish、_eat_chicken之類的內部標識符（不同的編譯器可能產生不同風格的內部標識符）。

如果C++程式要調用已經被編譯後的C函數，該怎麼辦？假設某個C函數的聲明如下： void foo(int x, int y);

該函數被C編譯器編譯後在庫中的名字為_foo，而C++編譯器則會產生像_foo_int_int之類的名字用來支援函數重載和型別安全串連。由於編譯後的名字不同，C++程式不能直接調用C函數。C++提供了一個C串連交換指定符號extern“C”來解決這個問題。例如：

extern “C” { void foo(int x, int y); … // 其它函數 }

或者寫成 extern “C” { #include “myheader.h” … // 其它C標頭檔 } 這就告訴C++編譯譯器，函數foo是個C串連，應該到庫中找名字_foo而不是找_foo_int_int。C++編譯器開發商已經對C標準庫的標頭檔作了extern“C”處理，所以我們可以用＃include 直接引用這些標頭檔。

注意並不是兩個函數的名字相同就能構成重載。全域函數和類的成員函數同名不算重載，因為函數的範圍不同。例如： void Print(…); // 全域函數 class A {… void Print(…); // 成員函數 } 不論兩個Print函數的參數是否不同，如果類的某個成員函數要調用全域函數Print，為了與成員函數Print區別，全域函數被調用時應加‘::’標誌。如::Print(…); // 表示Print是全域函數而非成員函數

8.1.3 當心隱式類型轉換導致重載函數產生二義性樣本8-1-3中，第一個output函數的參數是int類型，第二個output函數的參數是float 類型。由於數字本身沒有類型，將數字當作參數時將自動進行類型轉換（稱為隱式類型轉換）。語句output(0.5)將產生編譯錯誤，因為編譯器不知道該將0.5轉換成int還是float類型的參數。隱式類型轉換在很多地方可以簡化程式的書寫，但是也可能留下隱患。 # include void output( int x); // 函式宣告 void output( float x); // 函式宣告 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, 因為自動類型轉換 output(int(0.5)); // output int 0 output(float(0.5)); // output float 0.5 }

樣本8-1-3 隱式類型轉換導致重載函數產生二義性

8.2 成員函數的重載、覆蓋與隱藏成員函數的重載、覆蓋（override）與隱藏很容易混淆，C++程式員必須要搞清楚概念，否則錯誤將防不勝防。

8.2.1 重載與覆蓋 成員函數被重載的特徵：（1）相同的範圍（在同一個類中）；（2）函數名字相同；（3）參數不同；（4）virtual關鍵字可有可無。

覆蓋是指衍生類別函數覆蓋基類函數，特徵是：（1）不同的範圍（分別位於衍生類別與基類）；（2）函數名字相同；（3）參數相同；（4）基類函數必須有virtual關鍵字。 樣本8-2-1中，函數Base::f(int)與Base::f(float)相互重載，而Base::g(void)被Derived::g(void)覆蓋。

#include 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) }

樣本8-2-1成員函數的重載和覆蓋

8.2.2 令人迷惑的隱藏規則 本來僅僅區別重載與覆蓋並不算困難，但是C++的隱藏規則使問題複雜性陡然增加。這裡“隱藏”是指衍生類別的函數屏蔽了與其同名的基類函數，規則如下：（1）如果衍生類別的函數與基類的函數同名，但是參數不同。此時，不論有無virtual關鍵字，基類的函數將被隱藏（注意別與重載混淆）。（2）如果衍生類別的函數與基類的函數同名，並且參數也相同，但是基類函數沒有virtual關鍵字。此時，基類的函數被隱藏（注意別與覆蓋混淆）。 樣本程式8-2-2（a）中：（1）函數Derived::f(float)覆蓋了Base::f(float)。（2）函數Derived::g(int)隱藏了Base::g(float)，而不是重載。（3）函數Derived::h(float)隱藏了Base::h(float)，而不是覆蓋。 #include 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; } };

樣本8-2-2（a）成員函數的重載、覆蓋和隱藏據作者考察，很多C++程式員沒有意識到有“隱藏”這回事。由於認識不夠深刻，“隱藏”的發生可謂神出鬼沒，常常產生令人迷惑的結果。樣本8-2-2（b）中，bp和dp指向同一地址，按理說運行結果應該是相同的，可事實並非這樣。

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 }

樣本8-2-2（b） 重載、覆蓋和隱藏的比較

8.2.3 擺脫隱藏隱藏規則引起了不少麻煩。樣本8-2-3程式中，語句pd->f(10)的本意是想調用函數 Base::f(int)，但是Base::f(int)不幸被Derived::f(char *)隱藏了。由於數字10不能被隱式地轉化為字串，所以在編譯時間出錯。 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 }

樣本8-2-3 由於隱藏而導致錯誤

從樣本8-2-3看來，隱藏規則似乎很愚蠢。但是隱藏規則至少有兩個存在的理由：寫語句pd->f(10)的人可能真的想調用Derived::f(char *)函數，只是他誤將參數寫錯了。有了隱藏規則，編譯器就可以明確指出錯誤，這未必不是好事。否則，編譯器會靜悄悄地將錯就錯，程式員將很難發現這個錯誤，流下禍根。

* 假如類Derived有多個基類（多重繼承），有時搞不清楚哪些基類定義了函數f。如果沒有隱藏規則，那麼pd->f(10)可能會調用一個出乎意料的基類函數f。儘管隱藏規則看起來不怎麼有道理，但它的確能消滅這些意外。

樣本8-2-3中，如果語句pd->f(10)一定要調用函數Base::f(int)，那麼將類Derived修改為如下即可。

class Derived : public Base

{ public: void f(char *str); void f(int x) { Base::f(x); } };

8.3 參數的預設值有一些參數的值在每次函數調用時都相同，書寫這樣的語句會使人厭煩。C++語言採用參數的預設值使書寫變得簡潔（在編譯時間，預設值由編譯器自動插入）。

參數預設值的使用規則： 【規則8-3-1】參數預設值只能出現在函數的聲明中，而不能出現在定義體中。

例如： void Foo(int x=0, int y=0); // 正確，預設值出現在函數的聲明中

void Foo(int x=0, int y=0) // 錯誤，預設值出現在函數的定義體中 { … } 為什麼會這樣？我想是有兩個原因：一是函數的實現（定義）本來就與參數是否有預設值無關，所以沒有必要讓預設值出現在函數的定義體中。二是參數的預設值可能會改動，顯然修改函數的聲明比修改函數的定義要方便。

【規則8-3-2】如果函數有多個參數，參數只能從後向前挨個兒預設，否則將導致函數調用語句怪模怪樣。正確的樣本如下： void Foo(int x, int y=0, int z=0); 錯誤的樣本如下： void Foo(int x=0, int y, int z=0);

要注意，使用參數的預設值並沒有賦予函數新的功能，僅僅是使書寫變得簡潔一些。它可能會提高函數的易用性，但是也可能會降低函數的可理解性。所以我們只能適當地使用參數的預設值，要防止使用不當產生負面效果。樣本8-3-2中，不合理地使用參數的預設值將導致重載函數output產生二義性。

#include 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 }

樣本8-3-2 參數的預設值將導致重載函數產生二義性 8.4 運算子多載 8.4.1 概念在C++語言中，可以用關鍵字operator加上運算子來表示函數，叫做運算子多載。例如兩個複數相加函數： Complex Add(const Complex &a, const Complex &b); 可以用運算子多載來表示： Complex operator +(const Complex &a, const Complex &b); 運算子與普通函數在調用時的不同之處是：對於普通函數，參數出現在圓括弧內；而對於運算子，參數出現在其左、右側。例如 Complex a, b, c; … c = Add(a, b); // 用普通函數 c = a + b; // 用運算子 + 如果運算子被重載為全域函數，那麼只有一個參數的運算子叫做一元運算子，有兩個參數的運算子叫做二元運算子。如果運算子被重載為類的成員函數，那麼一元運算子沒有參數，二元運算子只有一個右側參數，因為對象自己成了左側參數。

從文法上講，運算子既可以定義為全域函數，也可以定義為成員函數。文獻[Murray , p44-p47]對此問題作了較多的闡述，並總結了表8-4-1的規則。

運算子 規則所有的一元運算子 建議重載為成員函數 = () [] -> 只能重載為成員函數 += -= /= *= &= │= ~= %= >>= <<= 建議重載為成員函數 所有其它運算子 建議重載為全域函數 表8-4-1 運算子的重載規則