Effective C++ 学习笔记条款07 为多态基类声明virtual析构函数

有许多种做法可以记录时间，因此，设计一个TimeKeeper base class和一些derived classes作为不同的计时方法很合理：

class TimeKeeper
{
public:TimeKeeper();~TimeKeeper();// ...
};class AtomicClock : public TimeKeeper { /* ... */ };    // 原子钟
class WaterClock : public TimeKeeper { /* ... */ };    // 水钟
class WristWatch : public TimeKeeper { /* ... */ };    // 腕表

很多客户只想在程序中使用时间，不想操心时间如何计算等细节，这是我们可以设计factory（工厂）函数，返回指针指向一个计时对象，Factory函数会“返回一个base class指针，指向新生成的derived class对象”：

TimeKeeper *getTimeKeeper();    // 返回一个指针，指向一个TimeKeeper派生类的动态分配对象

为遵循factory函数的规矩，被getTimeKeeper()返回的对象必须位于heap。因此为了避免泄露内存和其他资源，将factory函数返回的每一个对象适当地delete掉很重要：

TimeKeeper *ptk = getTimeKeeper();    // 从TimeKeeper继承体系获得一个动态分配对象
// 运用它...
delete ptk;    // 释放它，避免资源泄露

条款13说“倚赖客户执行delete，基本上便带有某种错误倾向”，条款18则谈到factory函数接口该如何修改以便预防常见的客户错误，但这些在此都是次要的，因为此条款内我们要对付的是上述代码的一个更根本的弱点：纵使客户把每一件事都做对了，仍然没办法知道程序如何行动。

问题出在getTimeKeeper返回的指针指向一个derived class对象（例如AtomicClock），而那个对象却经由一个base class指针（例如一个TimeKeeper *指针）被删除，而目前的base class（TimeKeeper）有个non-virtual析构函数。

这是有问题的，因为C++明白指出，当derived class对象经由一个base class的指针被删除，而该base class带着一个non-virtual析构函数时，其结果未定义——实际执行时通常发生的是对象的derived成分没被销毁。如果getTimeKeeper返回指针指向一个AtomicClock对象，其内的AtomicClock成分（也就是声明于AtomicClock class内的成员变量）很可能没被销毁，而AtomicClock的析构函数也未能执行起来。然而其base class成分（也就是TimeKeeper这一部分）通常会被销毁，于是造成一个诡异的“局部销毁”对象。这会形成资源泄露、毁坏数据结构、浪费许多时间在调试器上。

消除这个问题的做法很简单：给base class一个virtual析构函数。此后删除derived class对象就会如你想要的那般，销毁整个对象，包括所有derived class成分：

class TimeKeeper 
{
public:TimeKeeper();virtual ~TimeKeeper();
};TimeKeeper *ptk = getTimeKeeper();
// ...
delete ptk;    // 现在，行为正确

像TimeKeeper这样的base classes除了析构函数之外通常还有其他virtual函数，因为virtual函数的目的是允许derived class的实现得以客制化（见条款34）。例如TimeKeeper就可能拥有一个virtual getCurrentTime，它在不同的derived class中有不同的实现。任何class只要带有virtual函数都几乎确定应该也有一个virtual析构函数。

如果class不含virtual函数，通常表示它并不打算被用做一个base class。当class被用作base class，令其析构函数为virtual往往是个馊主意。考虑一个用来表示二维空间点坐标的class：

class Point 
{    // 一个二维空间点（2D point）
public:Point(int xCoord, int yCorrd);~Point();
private:int x, y;
};

如果int占用32bits，那么Point对象可塞入一个64-bit缓存器（用于临时存储数据的高速存储设备。它通常位于处理器内部或者靠近处理器，并且比主存储器更快）中，更有甚者，这样一个Point对象可被当做一个“64-bit量”传给以其他语言如C或FORTRAN撰写的函数。然而当Point的析构函数是virtual，形势起了变化。

欲实现出virtual函数，对象必须携带某些信息，主要用来在运行期决定哪一个virtual函数该被调用。这份信息通常是由一个所谓vptr（virtual table pointer）指针指出。vptr指向一个由函数指针构成的数组，称为vtbl（virtual table）；每一个带有virtual函数的class都有一个相应的vtbl。当对象调用某一virtual函数，实际被调用的函数取决于该对象的vptr所指的那个vtbl——编译器在其中寻找适当的函数指针。

virtual函数的实现细节不重要，重要的是如果Point class内含virtual函数，其对象的体积会增加：在32-bit计算机体系结构中将占用64 bits（为了存放两个ints）至96 bits（两个ints加上vptr）；在64-bit计算机体系结构中占用128bits（两个ints加上vptr，在64位系统中，int还是占32位），因为指针在这样的计算机结构中占64 bits。因此，为Point添加一个vptr会增加其对象大小达50%~100%！Point对象不能再塞入一个64-bit缓存器，而C++的Point对象也不再和其他语言（如C）内的相同声明有着一样的结构（因为其他语言的对应物并没有vptr），因此也就不再可能把它传递至（或接受自）其他语言所写的函数，除非你明确补偿vptr——那属于实现细节，也因此不再具有移植性。

因此，无端地将所有classes的析构函数声明为virtual，就像从未声明它们为virtual一样，都是错误的。许多人的心得是：只有当class内含至少一个virtual函数，才为它声明virtual析构函数。

即使class完全不带virtual函数，被“non-virtual析构函数问题”给咬伤还是有可能的。举个例子，标准string不含任何virtual函数，但有时候程序员会错误地把它当做base class：

class SpecialString : public std::string    // 馊主意！std::string有个non-virtual析构函数
{// ...
};

乍看似乎无害，但如果你在程序任意某处无意间将一个pointer-to-SpecialString转换为一个pointer-to-string，然后将转换所得的那个string指针delete掉，行为就不正确了：

SpecialString *pss = new SpecialString("Impending Doom");
std::string *ps;
// ...
ps = pss;    // SpecialString * => std::string *
// ...
delete ps;    // 未定义行为，现实中*ps的SpecialString资源会泄漏，因为SpecialString析构函数没被调用

相同的分析适用于任何不带virtual析构函数的class，包括所有STL容器如vector、list、set、tr1::unordered_map（见条款54）等等。因此不要继承一个标准容器或任何其他“带有non-virtual析构函数”的class（很不幸C++没有提供类似Java的final classes或C#的sealed classes那样的“禁止派生”机制）。

有时候令class带一个pure virtual析构函数，可能颇为便利。pure virtual函数导致abstract（抽象） class——也就是不能被实体化（instantiated）的class。也就是说，你不能为那种类型创建对象。然而有时候你希望拥有抽象class，但手上没有任何pure virtual函数，怎么办？由于抽象class总是被当做一个base class来用，而又由于base class应该有个virtual析构函数，并且由于pure virtual函数会导致抽象class，因此很简单：为你希望它成为抽象class的那个class声明一个pure virtual析构函数。下面是一个例子：

class AWOV    // AWOV="Abstract w/o Virtuals"
{
public:virtual ~AWOV() = 0;    // 声明为pure virtual析构函数
};

这个class有一个pure virtual函数，所以它是个抽象class，又由于它有个virtual析构函数，所以你不需要担心析构函数的问题。但你必须要为这个pure virtual析构函数提供一份定义：

AWOV::~AWOV() { }    // pure virtual析构函数的定义

析构函数的运作方式是，最深层派生（most derived）的那个class其析构函数最先被调用，然后是其每一个base class的析构函数被调用。编译器会在AWOV的derived classes的析构函数中创建一个对~AWOV的调用动作，所以你必须为这个函数提供一份定义。如果不这样做，链接器会发出抱怨。

“给base classes一个virtual析构函数”，这个规则只适用于polymorphic（带多态性质的）base classes身上。这种base classes的设计目的是为了用来“通过base class接口处理derived class对象”。TimeKeeper就是一个polymorphic base class，因为我们希望处理AtomicClock和WaterClock对象，纵使我们只有TimeKeeper指针指向它们。

并非所有base classes的设计目的都是为了多态用途。例如标准string和STL容器都不被设计作为base classes使用，更别提多态了。某些classes的设计目的是作为base classes使用，但不是为了多态用途。这样的classes如条款6的Uncopyable和标准程序库的input_iterator_tag（C++标准库中定义的一个标签类型，用于标识一个迭代器是输入迭代器。它是一个空的结构体，通常用于迭代器的分类和特性判断）（条款47），它们并非被设计用来“经由base class接口处置derived class对象”，因此它们不需要virtual析构函数。

请记住：
1.polymorphic（带多态性质的）base class应该声明一个virtual析构函数。如果class带有任何virtual函数，它就应该拥有一个virtual析构函数。

2.Classes的设计目的如果不是作为base classes使用，或不是为了具备多态性（polymorphically），就不该声明virtual析构函数。