Funkcje wirtualne i VTable

Część sekcji Programowanie obiektowe ścieżki C++ w Coddy. Lekcja 52 z 104.

Słowo kluczowe virtual rozwiązuje problem, który omówiliśmy w poprzedniej lekcji. Gdy deklarujesz metodę jako wirtualną, C++ określa w czasie wykonywania, którą wersję wywołać, na podstawie rzeczywistego typu obiektu, a nie typu wskaźnika.

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();  // Wynik: Woof!

Teraz wywoływana jest właściwa metoda! Słowo kluczowe override jest opcjonalne, ale zalecane. Informuje kompilator, że zamierzasz przesłonić funkcję wirtualną, dzięki czemu wykrywane są błędy, jeśli sygnatury nie są zgodne.

Jak to działa? Gdy klasa ma funkcje wirtualne, kompilator tworzy tablicę wirtualną (vtable). Jest to ukryta tablica wyszukiwania zawierająca wskaźniki do funkcji wirtualnych klasy. Każdy obiekt z funkcjami wirtualnymi przechowuje ukryty wskaźnik (vptr) do tablicy wirtualnej swojej klasy.

Gdy wywołujesz funkcję wirtualną za pośrednictwem wskaźnika, program wyszukuje prawidłowy adres funkcji w tabeli vtable w czasie działania. Nazywa się to dynamicznym wiązaniem. Powoduje to niewielki narzut w porównaniu ze zwykłymi wywołaniami funkcji, ale umożliwia potężne zachowanie polimorficzne.

Jedna ważna zasada: jeśli klasa ma funkcje wirtualne i będzie używana jako klasa bazowa, jej destruktor również powinien być wirtualny. Zapewnia to prawidłowe sprzątanie podczas usuwania obiektów klas pochodnych za pomocą wskaźników do klasy bazowej:

class Animal {
public:
    virtual ~Animal() {}  // Wirtualny destruktor
    virtual void speak() {}
};

Wyzwanie

Łatwy

Zbudujmy system odtwarzacza multimediów, który pokazuje możliwości funkcji wirtualnych i polimorfizmu w czasie działania programu. Utworzysz hierarchię typów multimediów, z których każdy odtwarza zawartość w inny sposób, i zobaczysz, jak funkcje wirtualne umożliwiają właściwe działanie nawet wtedy, gdy dostęp do nich uzyskuje się za pośrednictwem wskaźników do klasy bazowej.

Rozmieścisz kod w trzech plikach:

Media.h: Zdefiniuj bazową klasę Media, która reprezentuje dowolne multimedia, które można odtwarzać:
- Chronione pole std::string title
- Konstruktor, który przyjmuje tytuł i go zapisuje
- Metoda wirtualna play(), która wyświetla: Playing media: <title>
- Wirtualny destruktor, który wyświetla: Media [<title>] destroyed
AudioTrack.h: Zdefiniuj klasę AudioTrack, która publicznie dziedziczy po Media:
- Prywatne pole std::string artist
- Konstruktor, który przyjmuje tytuł i wykonawcę, przekazuje tytuł do klasy bazowej i zapisuje wykonawcę
- Nadpisz play(), używając słowa kluczowego override, aby wyświetlać: Playing audio: <title> by <artist>
- Destruktor, który wyświetla: AudioTrack [<title>] destroyed
main.cpp: Wczytaj trzy dane wejściowe (każde w osobnym wierszu):
1. Tytuł utworu audio (ciąg znaków)
2. Nazwę wykonawcy (ciąg znaków)
3. Tytuł wideo (ciąg znaków)
Zdefiniuj klasę VideoClip bezpośrednio w main.cpp. Ma ona publicznie dziedziczyć po Media:
- Prywatne pole int duration (w sekundach)
- Konstruktor, który przyjmuje tytuł i czas trwania (domyślny czas trwania ustaw na 120)
- Nadpisz play(), aby wyświetlać: Playing video: <title> (<duration>s)
- Destruktor, który wyświetla: VideoClip [<title>] destroyed
Utwórz tablicę trzech wskaźników Media* wewnątrz bloku. Przydziel dynamicznie pamięć na:
- Obiekt bazowej klasy Media z tytułem "Generic Media"
- Obiekt AudioTrack z wczytanym tytułem i wykonawcą
- Obiekt VideoClip z wczytanym tytułem wideo
Przejdź przez tablicę i wywołaj play() dla każdego wskaźnika. Następnie usuń wszystkie obiekty w odwrotnej kolejności. Po bloku wyświetl: Playback complete!

Na przykład, dla danych wejściowych Bohemian Rhapsody, Queen i Nature 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!

Zauważ, jak wywołanie play() za pośrednictwem wskaźników Media* uruchamia właściwą metodę klasy pochodnej dzięki funkcjom wirtualnym. Zwróć też uwagę, że wirtualny destruktor zapewnia prawidłowe czyszczenie: podczas usuwania za pośrednictwem wskaźnika do klasy bazowej uruchamiają się destruktory zarówno klasy pochodnej, jak i bazowej.

REQUIRED OUTPUT FORMAT: [Your translated content here]

Spróbuj swoich sił

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

using namespace std;

// TODO: Zdefiniuj tutaj klasę VideoClip, która publicznie dziedziczy po Media
// - Prywatne pole duration typu int (w sekundach)
// - Konstruktor przyjmuje tytuł i czas trwania (domyślna wartość czasu trwania to 120)
// - Przesłoń play(), aby wypisywała: Playing video: <title> (<duration>s)
// - Destruktor wypisuje: VideoClip [<title>] destroyed

class VideoClip : public Media {
private:
    int duration;

public:
    // TODO: Zaimplementuj konstruktor
    VideoClip(const std::string& t, int d = 120) : Media(t) {
        // TODO: Zapisz czas trwania
    }

    // TODO: Przesłoń metodę play()
    void play() override {
        // TODO: Zaimplementuj tę metodę
    }

    // TODO: Zaimplementuj destruktor
    ~VideoClip() {
        // TODO: Zaimplementuj ten destruktor
    }
};

int main() {
    // Wczytaj dane wejściowe
    string audioTitle;
    string artist;
    string videoTitle;
    
    getline(cin, audioTitle);
    getline(cin, artist);
    getline(cin, videoTitle);

    // TODO: Utwórz zakres blokowy za pomocą nawiasów klamrowych
    // Wewnątrz bloku:
    // 1. Utwórz tablicę trzech wskaźników Media*
    // 2. Przydziel dynamicznie pamięć dla:
    //    - Obiektu klasy bazowej Media o tytule "Generic Media"
    //    - Obiektu AudioTrack z tytułem i wykonawcą podanymi na wejściu
    //    - Obiektu VideoClip z tytułem filmu podanym na wejściu
    // 3. Przejdź w pętli przez tablicę i wywołaj play() dla każdego wskaźnika
    // 4. Usuń wszystkie obiekty w odwrotnej kolejności

    // TODO: Po bloku wypisz: Playback complete!
    
    return 0;
}