Лекция 10

Лекция 10. ООП. Полиморфизм

Полиморфизм

• Свойство системы, позволяющее использовать объекты с одинаковым интерфейсом без информации о типе и внутренней структуре объекта.

Динамический полиморфизм

• Позднее (dynamic) и раннее (static) связывание.
• Реализуется через виртуальные функции.

Виртуальные функции

• Без знания реального типа класса позволяют вызывать метод того класса, чем переменная фактически является.
• Ключевое слово virtual — говорит о том, что в классах-потомках функция может быть переопределена.
• Ключевое слово override (необязательно, но рекомендуется) — явно указывает, что метод переопределяет функцию родителя (помогает на уровне компиляции отслеживать ошибки изменения сигнатуры).
• Ключевое слово final (у виртуальной функции) — переопределять метод в классах-потомках нельзя.
• Если метод не виртуальный — берётся метод того типа, через который вызываем (статический тип). Дёшево и сердито!

class Base {
public:
    virtual void foo();
    virtual ~Base() = default;
};

class Derived : public Base {
public:
    void foo() override;  // переопределение
};

Таблица виртуальных функций (vtable)

• Таблица заводится для любого класса с виртуальной функцией.
• Вызов виртуального метода — это вызов метода по адресу из таблицы (немного долговато из-за дополнительной косвенности).
• Каждый объект класса с виртуальными функциями хранит указатель на vtable (vptr).

Стандарт не определяет механизм реализации виртуальных функций, однако большинство компиляторов реализуют именно таблицу виртуальных функций.

Виртуальный деструктор

• Нужен в любом базовом классе, от которого есть хотя бы один наследник.
• Иначе при использовании полиморфизма (например, Base* p = new Derived(); delete p;) будет вызван только деструктор базового класса → утечка ресурсов / UB.

«Никогда не знаешь, будет ли класс наследоваться…» Варианты решения:

• Можем делать все деструкторы виртуальными (но это проигрыш в памяти из-за vtable).
• Тогда можем явно указывать final для тех классов, которые точно не будут наследоваться.
• Либо жёстко следить за всем и вся (открыть третий глаз — опционально 👁️).

Абстрактный класс

• Класс, экземпляр которого не может быть создан.
• Обычно используется в качестве базового класса.
• Содержит хотя бы 1 pure virtual function (чисто виртуальную функцию): virtual void f() = 0; — не определена в базовом классе, но может быть (точнее, должна быть) переопределена в потомке.

class AbstractShape {
public:
    virtual double area() const = 0;  // pure virtual
    virtual ~AbstractShape() = default;
};

NVI Idiom (Non-Virtual Interface)

Идиома невиртуального интерфейса — подход, позволяющий клиентам вызывать закрытые виртуальные функции опосредованно, через открытые невиртуальные функции-члены.

Применение:

• Перегрузка оператора вывода только для базового класса, где будет вызываться виртуальная функция базового класса.
• Во всех наследниках переопределяем эту виртуальную функцию.

class Base {
public:
    void print(std::ostream& os) const { doPrint(os); }  // public non-virtual
private:
    virtual void doPrint(std::ostream& os) const;  // private virtual
};

Стоимость виртуальных функций

• Лишнее обращение к таблице vtable вместо явного адреса.
• Невозможно сделать inline optimization (при вызове из метода другой функции — не очень большой — код может подставиться напрямую, а виртуальный вызов так оптимизировать сложно).
• Для коллекций объектов — они всегда оказываются в куче (т.к. полиморфные коллекции хранят указатели).
• Порядок объектов в памяти также может влиять на скорость (кэш-локальность).

Коллекция объектов

• Контейнер (массив) указателей на базовый класс — стандартный способ хранить разнотипные объекты иерархии.

std::vector<Base*> shapes;
shapes.push_back(new Circle());
shapes.push_back(new Square());