虚函数与 VTable

本课属于 Coddy C++ 学习旅程的“面向对象编程”单元。第 52 课，共 104 课。

virtual 关键字解决了我们在上一课中遇到的问题。当你将一个方法声明为 virtual 时，C++ 会在运行时根据对象的实际类型，而不是指针类型，来确定要调用哪个版本。

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();  // 输出：Woof!

现在调用了正确的方法！override 关键字是可选的，但建议使用。它会告诉编译器你打算重写虚函数，如果函数签名不匹配，就能捕获错误。

这是如何工作的？当一个类有虚函数时，编译器会创建一个虚函数表（vtable）。这是一个隐藏的查找表，其中包含指向该类虚函数的指针。每个有虚函数的对象都会存储一个指向其类的 vtable 的隐藏指针（vptr）。

通过指针调用虚函数时，程序会在运行时从 vtable 中查找正确的函数地址。这称为动态分派。与普通函数调用相比，它会增加少量开销，但能实现强大的多态行为。

一条重要规则：如果一个类有虚函数，并且会被用作基类，那么它的析构函数也应该是虚函数。这样，通过基类指针删除派生对象时，才能正确清理：

class Animal {
public:
    virtual ~Animal() {}  // 虚析构函数
    virtual void speak() {}
};

挑战

简单

让我们构建一个媒体播放器系统，展示虚函数和运行时多态的强大之处。你将创建一个媒体类型层次结构，让每种媒体都以不同的方式播放，并了解虚函数如何确保通过基类指针访问时也能执行正确的行为。

你将把代码分成三个文件：

Media.h：定义一个表示任何可播放媒体的基类 Media：
- 一个受保护的 std::string title 成员
- 一个接收标题并保存它的构造函数
- 一个虚 play() 方法，输出：Playing media: <title>
- 一个虚析构函数，输出：Media [<title>] destroyed
AudioTrack.h：定义一个公开继承自 Media 的 AudioTrack 类：
- 一个私有的 std::string artist 成员
- 一个接收标题和艺术家姓名、将标题传给基类并保存艺术家姓名的构造函数
- 使用 override 关键字重写 play()，输出：Playing audio: <title> by <artist>
- 一个输出 AudioTrack [<title>] destroyed 的析构函数
main.cpp：读取三个输入（每个输入单独占一行）：
1. 音轨标题（字符串）
2. 艺术家姓名（字符串）
3. 视频标题（字符串）
在 main.cpp 中直接定义一个公开继承自 Media 的 VideoClip 类：
- 一个私有的 int duration 成员（单位为秒）
- 一个接收标题和时长的构造函数（默认时长为 120）
- 重写 play()，输出：Playing video: <title> (<duration>s)
- 一个输出 VideoClip [<title>] destroyed 的析构函数
在一个代码块作用域内创建一个包含三个 Media* 指针的数组。动态分配以下对象：
- 一个标题为 "Generic Media" 的基类 Media 对象
- 一个使用输入的标题和艺术家姓名的 AudioTrack 对象
- 一个使用输入的视频标题的 VideoClip 对象
遍历数组，并对每个指针调用 play()。然后按相反顺序删除所有对象。离开代码块后，输出：Playback complete!

例如，输入 Bohemian Rhapsody、Queen 和 Nature Documentary 时：

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!

注意，通过 Media* 指针调用 play() 时，虚函数会调用正确的派生类方法。也请留意，虚析构函数可以确保正确清理对象：通过基类指针删除对象时，派生类和基类的析构函数都会运行。

亲手试试

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

using namespace std;

// TODO：在这里定义公开继承 Media 的 VideoClip 类
// - 私有 int 类型的 duration 成员（单位：秒）
// - 构造函数接收 title 和 duration（duration 默认值为 120）
// - 重写 play()，输出：Playing video: <title> (<duration>s)
// - 析构函数输出：VideoClip [<title>] destroyed

class VideoClip : public Media {
private:
    int duration;

public:
    // TODO：实现构造函数
    VideoClip(const std::string& t, int d = 120) : Media(t) {
        // TODO：保存 duration
    }

    // TODO：重写 play() 方法
    void play() override {
        // TODO：实现这个方法
    }

    // TODO：实现析构函数
    ~VideoClip() {
        // TODO：实现这个析构函数
    }
};

int main() {
    // 读取输入
    string audioTitle;
    string artist;
    string videoTitle;
    
    getline(cin, audioTitle);
    getline(cin, artist);
    getline(cin, videoTitle);

    // TODO: 用花括号创建一个块作用域
    // 在代码块中：
    // 1. 创建一个包含三个 Media* 指针的数组
    // 2. 动态分配：
    //    一个标题为 "Generic Media" 的基类 Media 对象
    //    一个使用输入的标题和艺术家信息创建的 AudioTrack 对象
    //    一个使用输入的视频标题创建的 VideoClip 对象
    // 3. 遍历数组，对每个指针调用 play()
    // 4. 按相反顺序删除所有对象

    // TODO: 在代码块之后输出：Playback complete!
    
    return 0;
}

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