الدوال الافتراضية والـ VTable

جزء من قسم البرمجة كائنية التوجه في رحلة C++ على Coddy. الدرس 52 من 104.

تحل الكلمة المفتاحية virtual المشكلة التي رأيناها في الدرس السابق. عندما تعلن عن طريقة على أنها افتراضية، تحدد C++ الإصدار الذي ينبغي استدعاؤه استنادًا إلى نوع الكائن الفعلي في وقت التشغيل، وليس نوع المؤشر.

class Animal {
public:
    virtual void speak() {
        std::cout << "Some sound" << std::endl;
    }
};

class Dog : public Animal {
public:
    void speak() override {
        std::cout << "Woof!" << std::endl;
    }
};

Dog d;
Animal* ptr = &d;
ptr->speak();  // المخرجات: Woof!

الآن تم استدعاء الطريقة الصحيحة! الكلمة المفتاحية override اختيارية، ولكن يُنصح باستخدامها. فهي تخبر المترجم بأنك تنوي تجاوز دالة افتراضية، وتكتشف الأخطاء إذا لم تتطابق التواقيع.

كيف يعمل هذا؟ عندما يحتوي صنف على دوال افتراضية، ينشئ المصرّف جدولًا افتراضيًا (vtable). هذا جدول بحث مخفي يحتوي على مؤشرات إلى الدوال الافتراضية للصنف. يخزّن كل كائن يحتوي على دوال افتراضية مؤشرًا مخفيًا (vptr) إلى جدول vtable الخاص بصنفه.

عندما تستدعي دالة افتراضية من خلال مؤشر، يبحث البرنامج عن عنوان الدالة الصحيح في vtable أثناء وقت التشغيل. يُسمّى هذا الإرسال الديناميكي. ويضيف ذلك حملًا زائدًا صغيرًا مقارنةً باستدعاءات الدوال العادية، لكنه يتيح سلوكًا تعددي الأشكال قويًا.

قاعدة مهمة واحدة: إذا كان لدى class دوال افتراضية وسيُستخدم كـ base class، فيجب أن يكون destructor الخاص به افتراضيًا أيضًا. يضمن ذلك إجراء التنظيف المناسب عند حذف الكائنات المشتقة من خلال مؤشرات base:

class Animal {
public:
    virtual ~Animal() {}  // مُدمِّر افتراضي
    virtual void speak() {}
};

التحدي

سهل

لنَبْنِ نظام مشغّل وسائط يوضّح قوة الدوال virtual وتعدّد الأشكال وقت التشغيل. ستنشئ تسلسلاً هرميًا لأنواع الوسائط، بحيث يتم تشغيل كل نوع بطريقة مختلفة، وسترى كيف تُمكّن الدوال virtual من تنفيذ السلوك الصحيح حتى عند الوصول إليها من خلال مؤشرات الفئة الأساسية.

ستنظّم شيفرتك عبر ثلاثة ملفات:

Media.h: عرّف فئة أساسية Media تمثّل أي وسائط قابلة للتشغيل:
- عضو std::string title محمي
- ‏Constructor يستقبل عنوانًا ويخزّنه
- طريقة virtual‏ play() تطبع: Playing media: <title>
- ‏virtual destructor تطبع: Media [<title>] destroyed
AudioTrack.h: عرّف فئة AudioTrack ترث علنًا من Media:
- عضو std::string artist خاص
- ‏Constructor يستقبل عنوانًا وفنانًا، ويمرّر العنوان إلى الفئة الأساسية، ويخزّن الفنان
- استبدل play() باستخدام الكلمة المفتاحية override لطباعة: Playing audio: <title> by <artist>
- ‏Destructor تطبع: AudioTrack [<title>] destroyed
main.cpp: اقرأ ثلاثة inputs، كل واحد منها في سطر منفصل:
1. عنوان المقطع الصوتي (string)
2. اسم الفنان (string)
3. عنوان الفيديو (string)
عرّف فئة VideoClip مباشرةً داخل main.cpp، بحيث ترث علنًا من Media:
- عضو int duration خاص (بالثواني)
- ‏Constructor يستقبل عنوانًا ومدة (واجعل المدة الافتراضية 120)
- استبدل play() لطباعة: Playing video: <title> (<duration>s)
- ‏Destructor تطبع: VideoClip [<title>] destroyed
أنشئ array من ثلاثة مؤشرات Media* داخل نطاق block. نفّذ Dynamically عملية allocate لما يلي:
- كائنًا أساسيًا من نوع Media بعنوان "Generic Media"
- كائنًا من نوع AudioTrack باستخدام عنوان input وartist
- كائنًا من نوع VideoClip باستخدام input الفيديو
نفّذ Loop عبر array واستدعِ play() على كل مؤشر. ثم احذف all الكائنات بترتيب عكسي. After انتهاء block، اطبع: Playback complete!

على سبيل المثال، باستخدام inputs‏ Bohemian Rhapsody وQueen وNature Documentary:

Playing media: Generic Media
Playing audio: Bohemian Rhapsody by Queen
Playing video: Nature Documentary (120s)
VideoClip [Nature Documentary] destroyed
Media [Nature Documentary] destroyed
AudioTrack [Bohemian Rhapsody] destroyed
Media [Bohemian Rhapsody] destroyed
Media [Generic Media] destroyed
Playback complete!

لاحظ كيف يؤدي استدعاء play() عبر مؤشرات Media* إلى استدعاء طريقة الفئة المشتقة الصحيحة بفضل الدوال virtual. ولاحظ أيضًا كيف يضمن virtual destructor التنظيف السليم: إذ يتم تشغيل كلٍّ من destructor الفئة المشتقة والفئة الأساسية عند الحذف عبر مؤشر من الفئة الأساسية.

جرّب بنفسك

#include <iostream>
#include <string>
#include "Media.h"
#include "AudioTrack.h"

using namespace std;

// TODO: عرّف صنف VideoClip هنا الذي يرث علنًا من Media
// - عضو خاص int duration (بالثواني)
// - المُنشئ يأخذ title و duration (المدة الافتراضية 120)
// - Override play() to print: Playing video: <title> (<duration>s)
// - Destructor prints: VideoClip [<title>] destroyed

class VideoClip : public Media {
private:
    int duration;

public:
    // TODO: نفّذ المُنشئ
    VideoClip(const std::string& t, int d = 120) : Media(t) {
        // TODO: خزّن الـ duration
    }

    // TODO: تجاوز دالة play()
    void play() override {
        // TODO: نفّذ هذه الدالة
    }

    // TODO: نفّذ المُدمّر
    ~VideoClip() {
        // TODO: نفّذ هذا المُدمّر
    }
};

int main() {
    // اقرأ المدخلات
    string audioTitle;
    string artist;
    string videoTitle;
    
    getline(cin, audioTitle);
    getline(cin, artist);
    getline(cin, videoTitle);

    // TODO: أنشئ نطاق كتلة بأقواس معقوفة
    // داخل الكتلة:
    // 1. أنشئ مصفوفة من ثلاثة مؤشرات Media*
    // 2. خصص ديناميكيًا:
    //    - A base Media object with title "Generic Media"
    //    - كائن AudioTrack بالعنوان والفنان المُدخلين
    //    - كائن VideoClip بعنوان الفيديو المُدخل
    // 3. مر عبر المصفوفة واستدعِ play() على كل مؤشر
    // 4. احذف جميع الكائنات بالترتيب العكسي

    // TODO: After the block, print: Playback complete!
    
    return 0;
}