多態(tài)性是C++的一個重要特征。從廣義上說,多態(tài)性是指一段程序能夠處理多種類型對象的能力;具體地講,多態(tài)性就是對不同對象發(fā)出同樣的指令時,不同對象會有不同的行為。
如果程序員充分利用C++的多態(tài)性,設(shè)計程序的運行方式會更加靈活多樣,但是會帶來一些暗藏的細節(jié)問題。這些細節(jié)的漏洞也許會通過編譯,但是在某些情況下,不可預(yù)測的結(jié)果或者背離編程者初衷的結(jié)果都會導(dǎo)致程序變得混亂不堪,甚至產(chǎn)生較大的風(fēng)險。為了規(guī)避這些風(fēng)險,MISRA C++推薦了一些編程規(guī)則。這些規(guī)則能夠幫助程序員更加完備或者完美地實現(xiàn)多態(tài)性,充分體現(xiàn)C++相比于傳統(tǒng)C語言的一些優(yōu)勢。
本文主要介紹兩類在實現(xiàn)形式的多態(tài)性中需要注意的一些問題:一是運算符的重載,這是編譯時的多態(tài)性,即程序在編譯時就能根據(jù)重載的情況確定需要調(diào)用的函數(shù);二是虛函數(shù)的使用,這是運行時的多態(tài)性,即在程序執(zhí)行前,無法根據(jù)函數(shù)名和參數(shù)來確定調(diào)用哪個函數(shù),必須在程序執(zhí)行過程中,根據(jù)執(zhí)行的具體情況來動態(tài)確定。
1 運算符的重載
運算符重載就是定義某個運算符對于某個類的具體含義。通過運算符的重載,程序員可以針對一些特定的類型使用重載的運算符含義。
規(guī)則5-2-11(強制):逗號(,),與(&&)以及或(||)運算符不允許被重載。
如果getValue和setValue的返回類型使用重載運算符&&,則這兩個函數(shù)都需要計算。
C++的內(nèi)部規(guī)定是,&&和||都是在已知結(jié)果的情況下不再計算后面的值,比如0&&(a--)&& (b++)。然而重載&&運算符和||運算符導(dǎo)致了程序運行時要計算所有的表達式。這對于一些使用&&做判斷的運算來說,會導(dǎo)致一些錯誤。比如getchar()&&putchar(),在讀取文件時,如果讀到文件尾部,即得到getchar()為0時,就不需要再執(zhí)行putchar()了,這樣才能正確地讀取并輸出文件。如果重載&&運算符,那么先需要計算getchar()和 putchar()的結(jié)果,再執(zhí)行&&運算符的重載定義,這樣可能會導(dǎo)致一些不可知的錯誤。這樣的重載,會導(dǎo)致編譯器在處理&&和||運算符時產(chǎn)生混亂,所以是比較危險的。
對于逗號表達式來說,默認情況下,編譯器按照逗號表達式規(guī)定的順序計算各個表達式。但是如果重載操作逗號表達式,因為需要先檢查逗號兩邊的表達式類型,來判斷是否使用重載定義的類型,所以會導(dǎo)致計算順序的混亂。這樣比較危險,會產(chǎn)生一些不可知的錯誤。雖然在C++并沒有限制這3個運算符的重載問題,但是從這個例程和MISRA C++的規(guī)則來看,有些時候會產(chǎn)生一些不可預(yù)知的錯誤,所以MISRA C++不允許重載上面3個運算符。
規(guī)則5-3-3(強制):單目運算符&不允許被重載。
f1.cc和f2.cc的區(qū)別就在于f1.cc只聲明了A類,而f2.cc包含了A.h。f1.cc僅聲明A類,不會使用A類定義的重載運算,所以 f1.cc的8L運算符使用C++內(nèi)部的取地址定義。f2.cc包含了頭文件A.h,因為A.h包含了A類的完整定義,所以f2.cc的&運算符就會使用用戶定義的重載操作。在同樣一個工程中,僅僅是對A類的聲明不同,就導(dǎo)致了在f2.cc中,&a使用用戶定義的&運算符含義,而在f1.cc中,&a使用C++內(nèi)部定義的&運算符含義。
這樣差別會導(dǎo)致程序員在重載&運算符后,無法得知&運算符有沒有使用重載的定義。這樣做是比較危險的,可能會產(chǎn)生與程序員意愿不同的結(jié)果。雖然在C++中并沒有限制對單目運算符的重載操作,但是從上面的例程可以看出,MISRA C++不允許重載&運算符是很有必要的。
2 虛函數(shù)的使用
虛函數(shù)是C++中一類特殊的函數(shù)。在基類中定義一個虛函數(shù),就說明該函數(shù)在派生類中可能有不同的實現(xiàn)方式。當派生類的實例調(diào)用這個虛函數(shù)時,首先會在派生類中去查看該函數(shù)有沒有被定義。如果派生類定義了這個函數(shù),則執(zhí)行派生類的函數(shù);否則,在派生路徑上尋找最近的該函數(shù)的定義,并調(diào)用該函數(shù)。
如果從基類派生出多個派生類,那么每個派生類都可以重新定義這個虛函數(shù)。如果通過基類的指針指向派生類的對象,并訪問該虛函數(shù),會對應(yīng)地調(diào)用每個派生類的函數(shù)定義。這樣通過基類類型的指針,就可以使屬于不同派生類的對象產(chǎn)生不同的行為,從而實現(xiàn)了運行過程的多態(tài)。
關(guān)于虛函數(shù),MISRA C++有以下幾條規(guī)則:
規(guī)則10-3-1(強制):在每一個繼承路徑上,虛函數(shù)只能有一個定義。防止按優(yōu)先度調(diào)用。
例外:析構(gòu)函數(shù)可以定義為虛函數(shù),在每一個派生類上都可以有定義。
如果一個函數(shù)在同一個類中被聲明為純虛函數(shù),但是還有定義,這樣的定義就會被忽略。
在例程的后半段是關(guān)于按優(yōu)先度調(diào)用的解釋,表1顯示的是例程中每個函數(shù)的調(diào)用和定義關(guān)系。b2.f1()是按照正常的繼承關(guān)系來調(diào)用foo()函數(shù),并且調(diào)用的是V類中foo()的定義。d.f2()和d.f1()都是按照優(yōu)先度調(diào)用的。它們雖然最后都是調(diào)用了foo()函數(shù),但是經(jīng)過的繼承路徑卻不相同,而且它們最后只能調(diào)用到B1類中foo()的定義。為了防止這種情況發(fā)生,所以Misra C++規(guī)定,虛函數(shù)在一個繼承路徑上,只能有一個函數(shù)定義。
例程的前半部分描述了多個類的繼承關(guān)系,每個類都包括對幾個函數(shù)的定義和聲明。這里簡單介紹一下f1()函數(shù),讀者可以通過表2的內(nèi)容來理解其他函數(shù)。 f1在A類中是虛函數(shù),而且有定義,在C類中有定義,所以當D類繼承C類時,D類中就不能再有定義(“√”表示可以定義,“*”表示不推薦再繼續(xù)定義)。例外是f4,雖然它在A類中有定義,但是因為它是純虛函數(shù),所以它的定義會被忽略。
這個規(guī)則說明,如果在一個繼承路徑上有兩個函數(shù)定義,在調(diào)用函數(shù)時,有可能按照繼承的優(yōu)先度調(diào)用函數(shù)。這樣就會導(dǎo)致函數(shù)調(diào)用的混亂,可能會調(diào)不到程序員希望的函數(shù)。這是在實現(xiàn)多態(tài)時需要特別注意的地方。關(guān)于繼承路徑上的函數(shù)定義,C++并沒有明確限制。
從上面的例程可以看出,如果沒有這樣的限制,就會產(chǎn)生一些混亂,雖然程序能夠正常運行,但是不一定能夠按照程序員所設(shè)計的方式運行。這樣的運行方式會出現(xiàn)很多漏洞,所以MISRA C++強制規(guī)定在每一個繼承路徑上,虛函數(shù)只能有一個定義。
規(guī)則10-3-2(強制):每一個重載的虛函數(shù)應(yīng)該用關(guān)鍵字virtual來聲明。
這樣做不需要檢查基類,就可以確定函數(shù)是否為虛函數(shù)。MISRA C++推出這樣的規(guī)則是為了使C++程序更加完善。
規(guī)則10-3-3(強制):只有被聲明為純虛函數(shù)的虛函數(shù),才能被純虛函數(shù)重載。
foo函數(shù)在A類中定義為純虛函數(shù),在B類中被重載為普通虛函數(shù)。而C類使用純虛函數(shù)重載foo函數(shù)。這樣做是不行的。
B類中foo函數(shù)重載A類的foo函數(shù)時,是用有定義的虛函數(shù)重載純虛函數(shù),這樣做是可以的。
C類中的foo函數(shù)重載B類的foo函數(shù)時,是用純虛函數(shù)重載一個非純虛函數(shù),這樣是不行的。在C類中,foo被定義為純虛函數(shù),在C類的對象調(diào)用foo 函數(shù)時無法調(diào)用到B類中的定義。這樣的重載導(dǎo)致B類中對foo函數(shù)的定義丟失。
所以MISRA C++不允許使用純虛函數(shù)重載非純虛函數(shù),這樣做的目的也是為了使C++程序更加安全。
3 小結(jié)
正確并完備地實現(xiàn)C++的多態(tài)性,能夠充分發(fā)揮C++的優(yōu)勢,并且提高程序的可讀性和可維護性。如果使用不當,會導(dǎo)致一些想象不到的程序漏洞。MISRA C++針對使用多態(tài)性可能產(chǎn)生的一些漏洞,提出了規(guī)避的方法與建議。本文列出了其中幾條比較關(guān)鍵和實用的規(guī)則。關(guān)于多態(tài)性的其他規(guī)則,讀者可以查看。 MISRA C++(2008),以避免不正確使用多態(tài)性所導(dǎo)致的一些程序漏洞。
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