Penser en C++

Les programmeurs en C semblent acquérir le C++ en trois étapes. Premièrement, simplement comme un “C amélioré”, parce que le C++ vous force à déclarer toutes les fonctions avant de les utiliser et se montre plus pointilleux sur la façon d'utiliser des variables. Vous pouvez souvent trouver les erreurs dans un programme C simplement en le compilant avec un compilateur C++.

La deuxième étape est le C++ “basé sur les objets”. Cela signifie que vous voyez facilement les bénéfices en terme d'organisation de code qui résultent du regroupement de structures de données avec les fonctions qui agissent dessus, la valeur des constructeurs et des destructeurs, et peut-être un peu d'héritage simple. La plupart des programmeurs qui ont travaillé en C pendant quelques temps voit rapidement l'utilité de tout cela parce que, à chaque fois qu'ils créent une bibliothèque, c'est exactement ce qu'ils essayent de faire. Avec le C++, vous avez l'assistance du compilateur.

Vous pouvez rester coincé au niveau basé sur les objets parce qu'on y arrive vite et qu'on en retire beaucoup de bénéfices sans trop d'effort intellectuel. Vous pouvez également avoir l'impression de créer des types de données – vous fabriquez des classes et des objets, vous envoyez des messages à ces objets, et tout est beau et clair.

Mais ne vous laissez pas avoir. Si vous vous arrêtez ici, vous manquez la plus grande partie du langage, qui est le saut vers la vraie programmation orientée objet. Vous ne pouvez le faire qu'avec les fonctions virtuelles.

Les fonctions virtuelles renforcent le concept de type au lieu de simplement encapsuler du code dans des structures et derrière des murs, elles sont ainsi sans aucun doute le concept le plus difficile à comprendre pour le nouveau programmeur C++. Toutefois, elles sont également la charnière dans la compréhension de la programmation orientée objet. Si vous n'utilisez pas les fonctions virtuelles, vous ne comprenez pas encore la POO.

Parce que la fonction virtuelle est intimement liée au concept de type, et que le type est au coeur de la programmation orientée objet, il n'y a pas d'analogue aux fonctions virtuelles dans un langage procédural classique. Comme programmeur procédural, vous n'avez aucune référence à laquelle vous ramener pour penser aux fonctions virtuelles, contrairement à pratiquement toutes les autres caractéristiques du langage. Les caractéristiques d'un langage procédural peuvent être comprises à un niveau algorithmique, mais les fonctions virtuelles ne peuvent être comprises que du point de vue de la conception.

Dans le chapitre 14 vous avez vu comment un objet peut être utilisé comme son propre type ou comme un objet de son type de base. En outre, il peut être manipulé via une adresse du type de base. Prendre l'adresse d'un objet (par un pointeur ou par une référence) et la traiter comme l'adresse du type de base est appelé transtypage ascendant( upcastingen anglais, ndt) à cause de la façon dont les arbres d'héritage sont dessinés, avec la classe de base en haut.

Vous avez également vu un problème se dessiner, qui est incarné dans le code ci-dessous :

//: C15:Instrument2.cpp
// Héritage & transtypage ascendant
#include <iostream>
using namespace std;
enum note { middleC, Csharp, Eflat }; // Etc.

class Instrument {
public:
  void play(note) const {
    cout << "Instrument::play" << endl;
  }
};

// Les objets Wind sont des Instruments
// parce qu'ils ont la même interface :
class Wind : public Instrument {
public:
  // Redéfinit la fonction interface :
  void play(note) const {
    cout << "Wind::play" << endl;
  }
};

void tune(Instrument& i) {
  // ...
  i.play(middleC);
}

int main() {
  Wind flute;
  tune(flute); // transtypage ascendant
} ///:~

La fonction tune( )accepte (par référence) un Instrument, mais également, sans se plaindre, tout dérivé d' Instrument. Dans main( ), vous pouvez voir cela se produire quand un objet Windest passé à tune( ), sans nécessiter de transtypage. C'est acceptable ; l'interface qui se trouve dans Instrumentdoit exister dans Wind, parce que Windhérite publiquement d' Instrument. Faire un transtypage ascendant de Windvers Instrumentpeut “rétrécir” cette interface, mais jamais la ramener à moins que l'interface complète d' Instrument.

Les mêmes arguments sont vrais quand on traite des pointeurs ; la seule différence est que l'utilisateur doit prendre explicitement les adresses des objets quand ils sont passés dans la fonction.

Le problème avec Instrument2.cpppeut être vu en exécutant le programme. La sortie est Instrument::play. Ceci n'est clairement pas la sortie désirée, parce qu'il se trouve que vous savez que l'objet est en fait un Windet pas juste un Instrument. L'appel devrait produire Wind::play. A ce sujet, n'importe quel objet d'une classe dérivée de Instrumentdevrait avoir sa version de play( )utilisé, indépendamment de la situation.

Le comportement de Instrument2.cppn'est pas surprenant, étant donné l'approche du C pour les fonctions. Pour comprendre ces questions, vous devez être conscient du concept de liaison.

15-3-1. Liaison d'appel de fonction▲

Pour provoquer une liaison tardive pour une fonction particulière, le C++ impose que vous utilisiez le mot-clef virtualquand vous déclarez la fonction dans la classe de base. La liaison tardive n'a lieu que pour les fonctions virtuelles, et seulement lorsque vous utilisez une adresse de la classe de base où ces fonctions virtuelles existent, bien qu'elles puissent être également définies dans une classe de base antérieure.

Pour créer une fonction membre virtual, vous n'avez qu'à faire précéder la déclaration de la fonction du mot-clef virtual. Seule, la déclaration nécessite ce mot-clef, pas la définition. Si une fonction est déclarée virtualdans la classe de base, elle est virtualdans toutes les classes dérivées. La redéfinition d'une fonction virtuelle dans une classe dérivée est généralement appelée redéfinition(overriding, ndt).

Remarquez que vous n'avez à déclarer une fonction virtualque dans la classe de base. Toutes les fonctions des classes dérivées dont signature correspond à celle de la déclaration dans la classe de base seront appelées en utilisant le mécanisme virtuel. Vous pouvezutiliser le mot-clef virtualdans les déclarations des classes dérivées (cela ne fait aucun mal), mais c'est redondant et cela peut prêter à confusion.

Pour obtenir de Instrument2.cpple comportement désiré, ajoutez simplement le mot-clef virtualdans la classe de base avant play( ):

//: C15:Instrument3.cpp
// liaison tardive avec le mot-clef virtual
#include <iostream>
using namespace std;
enum note { middleC, Csharp, Cflat }; // Etc.

class Instrument {
public:
  virtual void play(note) const {
    cout << "Instrument::play" << endl;
  }
};

// Les objets Wind sont des Instruments
// parce qu'ils ont la même interface :
class Wind : public Instrument {
public:
  // Redéfinit la fonction d'interface :
  void play(note) const {
    cout << "Wind::play" << endl;
  }
};

void tune(Instrument& i) {
  // ...
  i.play(middleC);
}

int main() {
  Wind flute;
  tune(flute); // Upcasting
} ///:~

Mise à part l'ajout du mot-clef virtual, ce fichier est identique à Instrument2.cpp, et pourtant le comportement est significativement différent : à présent la sortie est Wind::play.

15-4-1. Extensibilité▲

//: C15:Instrument4.cpp
// Extensibilité dans la POO
#include <iostream>
using namespace std;
enum note { middleC, Csharp, Cflat }; // Etc.

class Instrument {
public:
  virtual void play(note) const {
    cout << "Instrument::play" << endl;
  }
  virtual char* what() const {
    return "Instrument";
  }
  // Supposez que ceci modifiera l'objet :
  virtual void adjust(int) {}
};

class Wind : public Instrument {
public:
  void play(note) const {
    cout << "Wind::play" << endl;
  }
  char* what() const { return "Wind"; }
  void adjust(int) {}
};

class Percussion : public Instrument {
public:
  void play(note) const {
    cout << "Percussion::play" << endl;
  }
  char* what() const { return "Percussion"; }
  void adjust(int) {}
};

class Stringed : public Instrument {
public:
  void play(note) const {
    cout << "Stringed::play" << endl;
  }
  char* what() const { return "Stringed"; }
  void adjust(int) {}
};

class Brass : public Wind {
public:
  void play(note) const {
    cout << "Brass::play" << endl;
  }
  char* what() const { return "Brass"; }
};

class Woodwind : public Wind {
public:
  void play(note) const {
    cout << "Woodwind::play" << endl;
  }
  char* what() const { return "Woodwind"; }
};

// Fonction identique à précédemment :
void tune(Instrument& i) {
  // ...
  i.play(middleC);
}

// Nouvelle fonction :
void f(Instrument& i) { i.adjust(1); }

// Upcasting pendant l'initialisation du tableau :
Instrument* A[] = {
  new Wind,
  new Percussion,
  new Stringed,
  new Brass,
};

int main() {
  Wind flute;
  Percussion drum;
  Stringed violin;
  Brass flugelhorn;
  Woodwind recorder;
  tune(flute);
  tune(drum);
  tune(violin);
  tune(flugelhorn);
  tune(recorder);
  f(flugelhorn);
} ///:~

Comment la liaison tardive peut-elle se produire ? Tout le travail est effectué discrètement par le compilateur, qui installe le mécanisme de liaison tardive nécessaire quand vous le lui demandez (ce que vous réalisez en créant des fonctions virtuelles). Comme les programmeurs tirent souvent profit d'une bonne compréhension du mécanisme des fonctions virtuelles en C++, cette section va détailler la façon dont le compilateur implémente ce mécanisme.

Le mot-clef virtualdit au compilateur qu'il ne doit pas réaliser la liaison trop tôt. Au lieu de cela, il doit installer automatiquement tous les mécanismes nécessaires pour réaliser la liaison tardive. Ceci signifie que si vous appelez play( )pour un objet Brassgrâce à une adresse pour la classe de baseInstrument, vous obtiendrez la bonne fonction.

Pour ce faire, le compilateur typique (55)crée une table unique (appelée VTABLE)pour chaque classe qui contient des fonctions virtual. Le compilateur place les adresses des fonctions virtuelles pour cette classe particulière dans la VTABLE. Dans chaque classe dotée de fonctions virtuelles, il place secrètement un pointeur, appelé le vpointeur(abrégé en VPTR), qui pointe vers la VTABLE de cet objet. Quand vous faites un appel à une fonction virtuelle à travers un pointeur vers la classe de base (c'est-a-dire, quand vous faites un appel polymorphe), le compilateur insère discrètement du code pour aller chercher le VPTR et trouver l'adresse de la fonction dans la VTABLE, appelant ainsi la fonction correcte et réalisant ainsi la liaison tardive.

Tout cela – créer la VTABLE pour chaque classe, initialiser le VPTR, insérer le code pour l'appel à la fonction virtuelle – a lieu automatiquement, et vous n'avez donc pas à vous en inquiéter. Avec les fonctions virtuelles, la fonction qui convient est appelée pour un objet, même si le compilateur ne peut pas connaître le type de l'objet.

Les sections qui suivent analysent plus en détails ce processus.

15-5-1. Stocker l'information de type▲

//: C15:Sizes.cpp
// Taille des objets avec ou sans fonctions virtuelles
#include <iostream>
using namespace std;

class NoVirtual {
  int a;
public:
  void x() const {}
  int i() const { return 1; }
};

class OneVirtual {
  int a;
public:
  virtual void x() const {}
  int i() const { return 1; }
};

class TwoVirtuals {
  int a;
public:
  virtual void x() const {}
  virtual int i() const { return 1; }
};

int main() {
  cout << "int: " << sizeof(int) << endl;
  cout << "NoVirtual: "
       << sizeof(NoVirtual) << endl;
  cout << "void* : " << sizeof(void*) << endl;
  cout << "OneVirtual: "
       << sizeof(OneVirtual) << endl;
  cout << "TwoVirtuals: "
       << sizeof(TwoVirtuals) << endl;
} ///:~

15-5-2. Représenter les fonntions virtuelles▲

Pour comprendre exactement ce qu'il se passe quand vous utilisez une fonction virtuelle, il est pratique de visualiser ce qu'il se passe derrière la scène. Voici un schéma du tableau des pointeurs A[ ]dans Instrument4.cpp:

Le tableau de pointeurs vers Instrumentn'a pas d'information de type spécifique ; ils pointent tous vers un objet de type Instrument. Wind, Percussion, Stringed, et Brassrentrent tous dans cette catégorie parce qu'ils sont dérivés d' Instrument(et ont donc la même interface qu' Instrument, et peuvent répondre aux mêmes messages), et leur adresse peut donc également être placée dans le tableau. Toutefois, le compilateur ne sait pas qu'ils sont quelque chose de plus que des objets Instrument, et donc si on le laissait autonome il appellerait normalement pour toutes les fonctions leur version de la classe de base. Mais dans ce cas, toutes ces fonctions ont été déclarées avec le mot-clef virtual, si bien que quelque chose de différent se produit.

A chaque fois que vous créez une classe qui contient des fonctions virtuelles, ou que vous dérivez d'une classe qui en contient, le compilateur crée une VTABLE unique pour cette classe, visible sur la droite du diagramme. Dans cette table il place les adresses de toutes les fonctions qui ont été déclarés virtuelles dans cette classe ou dans la classe de base. Si vous ne surchargez pas une fonction qui a été déclarée virtualdans la classe de base, le compilateur utilise l'adresse de la version de la classe de base dans la classe dérivée. (Vous pouvez le voir dans l'entrée adjustdans la VTABLE de Brass.) Puis il positionne le VPTR (découvert dans Sizes.cpp) au sein de la classe. Il n'y a qu'un seul VPTR pour chaque objet quand on utilise l'héritage simple comme ceci. Le VPTR doit être initialisé pour pointer vers l'adresse de début de la VTABLE appropriée. (Ceci se produit dans le constructeur, ce que vous verrez de manière plus détaillée ci-dessous.)

Une fois que le VPTR est initialisé à la bonne VTABLE, l'objet actuel “sait” de quel type il est. Mais cette connaissance de soi est sans valeur à moins d'être utilisée au moment de l'appel d'une fonction virtuelle.

Quand vous appelez une fonction virtuelle via l'adresse d'une classe de base (ce qui correspond à la situation où le compilateur ne dispose pas de toutes les informations nécessaires pour réaliser la liaison plus tôt), quelque chose de particulier se produit. Au lieu de réaliser un appel typique à une fonction, qui est simplement un CALLen langage assembleur vers une adresse particulière, le compilateur génère un code différent pour réaliser l'appel. Voici à quoi ressemble un appel à adjust( )pour un objet Brass, s'il est réalisé via un pointeur vers Instrument(Une référence vers Instrumentproduit le même résultat) :

Le compilateur commence avec le pointeur vers Instrument, qui pointe vers l'adresse de début de l'objet. Tous les objets Instrumentou dérivés d' Instrumentont leur VPTR au même endroit (souvent au début de l'objet), afin que le compilateur puisse le repérer dans l'objet. Le VPTR pointe vers l'adresse de début de la VTABLE. Toutes les adresses de fonction de la VTABLE sont disposées dans le même ordre, indépendamment du type spécifique de l'objet : en premier, play( ), puis what( )et enfin adjust( ). Le compilateur sait que, indépendamment du type spécifique d'objet, la fonction adjust( )est à l'emplacement VPTR+2. Ainsi, au lieu de dire : “Appelle la fonction à l'emplacement absolu Instrument::adjust” (liaison précoce; mauvaise démarche), il génère du code qui dit : “Appelle la fonction à VPTR+2”. Comme la recherche du VPTR et la détermination de la vraie adresse de la fonction a lieu à l'exécution, vous obtenez la liaison tardive désirée. Vous envoyer un message à l'objet, qui devine ce qu'il doit en faire.

15-5-3. Sous le capot▲

i.adjust(1);

push  1
push  si
mov   bx, word ptr [si]
call  word ptr [bx+4]
add   sp, 4

mov bx, word ptr [si]

call word ptr [bx+4]

15-5-4. Installer le vpointeur▲

15-5-5. Les objets sont différents▲

//: C15:Early.cpp
// Liaison précoce & fonctions virtuelles
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Pet {
public:
  virtual string speak() const { return ""; }
};

class Dog : public Pet {
public:
  string speak() const { return "Bark!"; }
};

int main() {
  Dog ralph;
  Pet* p1 = &ralph;
  Pet& p2 = ralph;
  Pet p3;
  // Liaison tardive pour les deux :
  cout << "p1->speak() = " << p1->speak() <<endl;
  cout << "p2.speak() = " << p2.speak() << endl;
  // Liaison précoce (probable):
  cout << "p3.speak() = " << p3.speak() << endl;
} ///:~

A ce point de la discussion vous pouvez avoir une question : “Si cette technique est si importante, et si elle réalise le ‘bon' appel de fonction à chaque fois, pourquoi n'est-ce qu'une option ? Pourquoi ai-je même besoin de le connaître ?”

C'est une bonne question, et la réponse fait partie la philosophie fondamentale du C++ : “Parce que ce n'est pas aussi efficace”. Vous pouvez constater d'après les sorties en langage assembleur vues ci-dessus qu'au lieu d'un simple CALL à une adresse absolue, cela requiert deux instructions assembleur – plus sophistiquées – pour préparer l'appel à une fonction virtuelle. Cela demande à la fois du code et du temps d'exécution supplémentaire.

Certains langages orientés objet ont adopté l'approche qui considère que la liaison tardive est tellement intrinsèque à la programmation orientée objet qu'elle devrait toujours avoir lieu, que cela ne devrait pas être une option, et l'utilisateur ne devrait pas avoir à en entendre parler. C'est une décision de conception à prendre à la création d'un langage, et cette approche particulière est appropriée pour beaucoup de langages (57). Toutefois, le C++ provient de l'héritage du C, où l'efficacité est critique. Après tout, le C a été créé pour remplacer le langage assembleur pour l'implémentation d'un système d'exploitation (rendant ainsi ce système d'exploitation – Unix – largement plus portable que ses prédécesseurs). Une des raisons principales de l'invention du C++ était de rendre les programmeurs C plus efficaces (58). Et la première question posée quand les programmeurs C rencontrent le C++ est : “Quel type d'impact obtiendrais-je sur la taille et la vitesse ? “ Si la réponse était : ”Tout est parfait sauf pour les appels de fonctions où vous aurez toujours un petit temps de surcharge supplémentaire” beaucoup de monde serait resté au C plutôt que de passer au C++. En outre, les fonctions inline n'auraient pas été possibles, parce que les focntions virtuelles doivent disposer d'une adresse à mettre dans la VTABLE. Ainsi donc, la fonction virtuelle est une option, etle langage utilise par défaut les non virtuelles, ce qui est la configuration la plus rapide. Stroustrup affirmait que sa ligne de conduite était : “si vous ne vous en servez pas, vous n'en payez pas le prix.”

Ainsi, le mot-clef virtualest fourni pour moduler l'efficacité. Quand vous concevez vos classes, toutefois, vous ne devriez pas vous inquiéter de régler l'efficacité. Si vous allez utiliser le polymorphisme, utilisez des fonctions virtuelles partout. Vous devez seulement chercher des fonctions qui peuvent être rendues non virtuelles quand vous cherchez des manières d'accélérer votre code (et il y a le plus souvent de bien plus grands gains à réaliser dans d'autres domaines – un bon profileur réalisera un meilleur travail pour trouver les goulets d'étranglement que vous en faisant des conjectures).

Le retour d'expérience suggère que les impacts sur la taille et la vitesse quand on passe au C++ est inférieure à 10 pour cent de la taille et de la vitesse en C, et sont souvent plus prôches de l'égalité. La raison pour laquelle vous pourriez obtenir une plus petite taille et une plus grande vitesse est que vous pouvez concevoir un programme en C++ plus petit et plus rapide que vous ne le feriez en C.

Souvent dans une conception, vous désirez que la classe de base présente uniquementune interface pour ses classes dérivées. C'est-à-dire que vous ne voulez pas que quiconque crée un objet de la classe de base, mais seulement d'upcaster vers celle-ci afin que son interface puisse être utilisée. Ceci est réalisé en rendant cette classe abstraite, ce qui se produit si vous lui donnez au moins une fonction virtuelle pure. Vous pouvez reconnaître une fonction virtuelle pure parce qu'elle utilise le mot-clef virtualet est suivie par = 0. Si quelqu'un essaie de créer un objet d'une classe abstraite, le compilateur l'en empêche. C'est un outil qui vous permet d'imposer une conception donnée.

Quand une classe abstraite est héritée, toutes les fonctions virtuelles pures doivent être implémentées, sinon la classe qui hérite devient également abstraite. Créer une fonction virtuelle pure vous permet de mettre une fonction membre dans une interface sans avoir à fournir un code potentiellement dénué de sens pour cette fonction membre. En même temps, une fonction virtuelle pure force les classes qui en héritent à fournir pour elle une définition.

Dans tous les exemples d' Instrument, les fonctions de la classe de base Instrumentétaient toujours des fonctions “factices”. Si jamais ces fonctions sont appelées, quelque chose cloche. C'est parce que le but de Instrumentest de créer une interface commune pour toutes les classes qui en dérivent.

La seule raison d'établir une interface commune est afin qu'elle puisse être exprimée différemment pour chaque sous-type. Cela crée une forme élémentaire qui détermine ce qui est commun à toutes les classes dérivées – rien d'autre. Ainsi Instrumentest un candidat approprié pour devenir une classe abstraite. Vous créez une classe abstraite quand vous voulez seulement manipuler un ensemble de classes à travers une interface commune, mais il n'est pas nécessaire que l'interface commune possède une implémentation (ou tout au moins, une implémentation complète).

Si vous disposez d'un concept comme Instrumentqui fonctionne comme une classe abstraite, les objets de cette classe n'ont presque jamais de signification. C'est-à-dire que Instrumenta pour but d'exprimer uniquement l'interface, et pas une implémentation particulière, et donc créer un objet qui soit uniquement Instrumentn'a aucun sens, et vous voudrez sans doute empêcher l'utilisateur de le faire. Ceci peut être accompli en faisant imprimer un message d'erreur par toutes les fonctions virtuelles d' Instrument, mais cela repousse l'apparition de l'information d'erreur jusqu'au moment de l'exécution et requiert un test fiable et exhaustif de la part de l'utilisateur. Il vaut beaucoup mieux traiter le problème à la compilation.

Voici la syntaxe utilisée pour une déclaration virtuelle pure :

virtual void f() = 0;

Ce faisant, vous dites au compilateur de réserver un emplacement pour une fonction dans la VTABLE, mais pas de mettre une adresse dans cet emplacement particulier. Dans une classe, même si une seule fonction est déclarée virtuelle pure, la VTABLE est incomplète.

Si la VTABLE d'une classe est incomplète, qu'est-ce que le compilateur est censé faire quand quelqu'un essaie de créer un objet de cette classe ? Il ne peut pas créer sans risque un objet d'une classe abstraite, donc vous recevez un message d'erreur du compilateur. Ainsi, le compilateur garantit la pureté de la classe abstraite. En rendant une classe abstraite, vous vous assurez que le programmeur client ne peut pas en mésuser.

Voici Instrument4.cpp, modifié afin d'utiliser les fonctions virtuelles pures. Comme la classe n'a rien d'autre que des fonctions virtuelles pures, on l'appelle une classe abstraite pure:

//: C15:Instrument5.cpp
// Classes de base abstraites pures
#include <iostream>
using namespace std;
enum note { middleC, Csharp, Cflat }; // Etc.

class Instrument {
public:
  // Fonctions virtuelles pures :
  virtual void play(note) const = 0;
  virtual char* what() const = 0;
  // Suppose que cela modifiera l'objet :
  virtual void adjust(int) = 0;
};
// Le reste du fichier est similaire...

class Wind : public Instrument {
public:
  void play(note) const {
    cout << "Wind::play" << endl;
  }
  char* what() const { return "Wind"; }
  void adjust(int) {}
};

class Percussion : public Instrument {
public:
  void play(note) const {
    cout << "Percussion::play" << endl;
  }
  char* what() const { return "Percussion"; }
  void adjust(int) {}
};

class Stringed : public Instrument {
public:
  void play(note) const {
    cout << "Stringed::play" << endl;
  }
  char* what() const { return "Stringed"; }
  void adjust(int) {}
};

class Brass : public Wind {
public:
  void play(note) const {
    cout << "Brass::play" << endl;
  }
  char* what() const { return "Brass"; }
};

class Woodwind : public Wind {
public:
  void play(note) const {
    cout << "Woodwind::play" << endl;
  }
  char* what() const { return "Woodwind"; }
};

// Fonctions identiques à précédemment :
void tune(Instrument& i) {
  // ...
  i.play(middleC);
}

// Nouvelle fonction :
void f(Instrument& i) { i.adjust(1); }

int main() {
  Wind flute;
  Percussion drum;
  Stringed violin;
  Brass flugelhorn;
  Woodwind recorder;
  tune(flute);
  tune(drum);
  tune(violin);
  tune(flugelhorn);
  tune(recorder);
  f(flugelhorn);
} ///:~

Les fonctions virtuelles pures sont utiles parce qu'elles rendent explicite le caractère abstrait d'une classe et disent à la fois au compilateur et à l'utilisateur comment il était prévu de l'utiliser.

Remarquez que les fonctions virtuelles pures empêchent qu'une classe abstraite soit passée dans une fonction par valeur. Ainsi, c'est également un moyen d'éviter le découpage d'objet(qui sera bientôt décrit). En rendant abstraite une classe, vous pouvez garantir qu'un pointeur ou une référence est toujours utilisé pendant l'upcasting vers cette classe.

Le simple fait qu'une seule fonction virtuelle pure empêche la VTABLE d'être complètée ne signifie pas que vous ne voulez pas de corps pour certaines autres fonctions. Souvent, vous aurez envie d'appeler la version de la classe de base d'une fonction, même si elle est virtuelle. C'est toujours une bonne idée de placer le code commun aussi près que possible de la racine de votre hiérarchie. Non seulement cela économise du code, mais cela permet également une propagation facile des modifications.

15-7-1. Définitions virtuelles pures▲

//: C15:PureVirtualDefinitions.cpp
// Définition de base virtuelles pures
#include <iostream>
using namespace std;

class Pet {
public:
  virtual void speak() const = 0;
  virtual void eat() const = 0;
  // Les définitions virtuelles pures inline sont prohibées :
  //!  virtual void sleep() const = 0 {}
};

// OK, pas définie inline
void Pet::eat() const {
  cout << "Pet::eat()" << endl;
}

void Pet::speak() const { 
  cout << "Pet::speak()" << endl;
}

class Dog : public Pet {
public:
  // Utilise le code Pet commun :
  void speak() const { Pet::speak(); }
  void eat() const { Pet::eat(); }
};

int main() {
  Dog simba;  // Le chien (Dog, ndt) de Richard
  simba.speak();
  simba.eat();
} ///:~

Vous pouvez imaginer ce qu'il se passe quand vous faites hériter et que vous surchargez certaines fonctions virtuelles. Le compilateur crée une nouvelle VTABLE pour votre nouvelle classe, et il insère les adresses de vos nouvelles fonctions en utilisant les adresses des fonctions de la classe de base pour les fonctions virtuelles que nous ne surchargez pas. D'une manière ou d'une autre, pour tout objet qui peut être créé (c'est-à-dire que sa classe ne contient pas de virtuelle pure) il y a toujours un ensemble complet d'adresses de fonctions dans la VTABLE, si bien que vous ne pourrez jamais faire un appel à une adresse qui n'existe pas (ce qui serait un désastre).

Mais que se passe-t-il quand vous faites hériter et ajoutez de nouvelles fonctions virtuelles dans la classe dérivée? Voici un exemple simple :

//: C15:AddingVirtuals.cpp
// Ajouter des virtuels dans la dérivation
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Pet {
  string pname;
public:
  Pet(const string& petName) : pname(petName) {}
  virtual string name() const { return pname; }
  virtual string speak() const { return ""; }
};

class Dog : public Pet {
  string name;
public:
  Dog(const string& petName) : Pet(petName) {}
  // Nouvelle fonction virtuelle dans la clase Dog :
  virtual string sit() const {
    return Pet::name() + " sits";
  }
  string speak() const { // Surcharge
    return Pet::name() + " says 'Bark!'";
  }
};

int main() {
  Pet* p[] = {new Pet("generic"),new Dog("bob")};
  cout << "p[0]->speak() = "
       << p[0]->speak() << endl;
  cout << "p[1]->speak() = "
       << p[1]->speak() << endl;
//! cout << "p[1]->sit() = "
//!      << p[1]->sit() << endl; // Illegal
} ///:~

La classe Petcontient deux fonctions virtuelles : speak( )et name( ). Dogajoute une troisième fonction virtuelle appelée sit( ), tout en surchargeant le sens de speak( ). Un diagramme vous aidera à visualiser ce qu'il se passe. Voici les VTABLE créées par le compilateur pour Petet Dog:

Notez que le compilateur indexe la localisation de l'adresse de speak( )exactement au même endroit dans la VTABLE de Dogque dans celle de Pet. De même, si une classe Pughéritait de Dog, sa version de sit( )serait placée dans sa VTABLE exactement à la même position que dans Dog. C'est parce que (comme vous l'avez vu avec l'exemple en langage assembleur) le compilateur génère du code qui utilise un simple décalage numérique dans la VTABLE pour sélectionner la fonction virtuelle. Indépendamment du sous-type spécifique auquel appartient l'objet, sa VTABLE est organisée de la même façon, donc les appels aux fonctions virtuelles seront toujours réalisés de manière similaire.

Dans ce cas, toutefois, le compilateur travaille seulement avec un pointeur vers un objet de la classe de base. La classe de base contient seulement les fonctions speak( )et name( ), ainsi elles sont les seules fonctions que le compilateur vous autorisera à appeler. Comment pourrait-il bien savoir que vous travaillez avec un objet Dog, s'il a seulement un pointeur vers un objet de la classe de base ? Ce pointeur pourrait pointer vers quelqu'autre type, qui n'a pas de fonction sit( ). Il peut avoir ou ne pas avoir une autre adresse de fonction à cet endroit de la VTABLE, mais dans tous ces cas, faire un appel virtuel à cette adresse de la VTABLE n'est pas ce que vous voulez faire. Aussi, le compilateur fait son travail en vous empêchant de faire des appels virtuels à des fonctions qui n'existent que dans les classes dérivées.

Il y a des cas moins courants pour lesquels vous pouvez savoir que le pointeur pointe en fait vers un objet d'une sous-classe spécifique. Si vous voulez appeler une fonction qui n'existe que dans cette sous-classe, alors vous devez transtyper le pointeur. Vous pouvez supprimer le message d'erreur produit par le programme précédent de cette façon :

  ((Dog*)p[1])->sit()

Ici, il se trouve que vous savez que p[1]pointe vers un objet Dog, mais en général vous ne savez pas cela. Si votre problème est tel que vous devez savoir le type exact de tous les objets, vous devriez le repenser, parce vous n'utilisez probablement pas les fonctions virtuelles correctement. Toutefois, il y a certaines situations dans lesquelles la conception fonctionne mieux (ou bien où vous n'avez pas le choix) si vous connaissez le type exact de tous les objets conservés dans un conteneur générique. C'est le problème de l' identification de type à l'exécution(RTTI : run-time type identification, ndt).

RTTI est entièrement basé sur le transtypage de pointeurs de la classe de base vers le basen des pointeurs vers la classe dérivée (“vers le haut” ou “vers le bas” sont relatives à un diagramme de classe typique, avec la classe de base au sommet). Transtyper vers le hauta lieu automatiquement, sans forcer, parce que c'est complètement sûr. Transtyper vers le basn'est pas sûr parce qu'il n'y a pas d'information à la compilation sur les types réels, si bien que vous devez savoir exactement de quel type est l'objet. Si vous le transtypez dans le mauvais type, vous aurez des problèmes.

La RTTI est décrite plus tard dans ce chapitre, et le Volume 2 de cet ouvrage contient un chapitre consacré à ce sujet.

15-8-1. Découpage d'objets en tranches▲

Il y a une différence réelle entre passer les adresses des objets et passer les objets par valeur quand on utilise le polymorphisme. Tous les exemples que vous avez vus ici, et à peu près tous les exemples que vous devriez voir, passent des adresses et non des valeurs. C'est parce que les adresses ont toutes la même taille (59), si bien que passer l'adresse d'un objet d'un type dérivé (qui est généralement un objet plus gros) revient au même que passer l'adresse d'un objet du type de base (qui est généralement un objet plus petit). Comme on l'a expliqué auparavant, c'est le but quand on utilise le polymorphisme – du code qui manipule un type de base peut manipuler également de manière transparente des objets de type dérivé.

Si vous upcastez vers un objet au lieu de le faire vers un pointeur ou une référence, il va se produire quelque chose qui peut vous surprendre : l'objet est “tranché” jusqu'à que les restes soient le sous-objet qui correspond au type de destination de votre transtypage. Dans l'exemple suivant vous pouvez voir ce qui arrive quand un objet est tranché :

 

Sélectionnez

//: C15:ObjectSlicing.cpp
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Pet {
  string pname;
public:
  Pet(const string& name) : pname(name) {}
  virtual string name() const { return pname; }
  virtual string description() const {
    return "This is " + pname;
  }
};

class Dog : public Pet {
  string favoriteActivity;
public:
  Dog(const string& name, const string& activity)
    : Pet(name), favoriteActivity(activity) {}
  string description() const {
    return Pet::name() + " likes to " +
      favoriteActivity;
  }
};

void describe(Pet p) { // Tranche l'objet
  cout << p.description() << endl;
}

int main() {
  Pet p("Alfred");
  Dog d("Fluffy", "sleep");
  describe(p);
  describe(d);
} ///:~

La fonction describe( )reçoit un objet de type Petpar valeur. Elle appelle ensuite la fonction virtuelle description( )pour l'objet Pet. Dans main( ), vous pouvez vous attendre à ce que le premier appel produise “This is Alfred”, et le second “Fluffy likes to sleep”. En fait, les deux appels utilisent la version de description( )de la classe de base.

Deux choses se produisent dans ce programme. Premièrement, ârce que describe( )accepte un objetPet(plutôt qu'un pointeur ou une référence), tous les appels à describe( )vont causer la poussée d'un objet de la taille de Petsur la pile et son nettoyage après l'appel. Cela veut dire que si un objet d'une classe dérivée de Petest passé à describe( ), le compilateur l'accepte, mais il copie uniquement la portion Petde l'objet. Il découpela portion dérivée de l'objet, comme ceci :

A présent, vous pouvez vous poser des questions concernant l'appel de la fonction virtuelle. Dog::description( )utilise des éléments à la fois de Pet(qui existe toujours) et de Dog, qui n'existe plus parce qu'il a été découpé ! Alors que se passe-t-il quand la fonction virtuelle est appelée ?

Vous êtes sauvés du désastre parce que l'objet est passé par valeur. A cause de cela, le compilateur connaît le type précis de l'objet puisque l'objet dérivé a été contraint de devenir un objet de base. Quand on passe par valeur, le constructeur par recopie pour un objet Petest utilisé, et il initialise le VPTR avec la VTABLE de Petet ne copie que la portion Petde l'objet. Il n'y a pas de constructeur par recopie explicite ici, donc le compilateur en synthétise un. A tout point de vue, l'objet devient vraiment un Petpendant la durée de son découpage.

Le découpage d'objet supprime vraiment des parties de l'objet existant alors qu'il le copie dans le nouvel objet, plutôt que de changer simplement le sens d'une adresse comme quand on utilise un pointeur ou une référence. A cause de cela, upcaster vers un objet n'est pas une opération fréquente ; en fait, c'est généralement quelque chose à surveiller et éviter. Remarquez que dans cet exemple, si description( )était une fonction virtuelle pure dans la classe de base (ce qui n'est pas absurde, puisqu'en fait elle ne fait rien dans la classe de base), alors le compilateur empêcherait le découpage de l'objet en tranches, parce que cela ne vous permettrait pas de “créer” un objet du type de base (ce qui se produit quand vous upcastez par valeur). C'est peut-être le plus grand intérêt des fonctions virtuelles pures : éviter le découpage d'objet en générant un message d'erreur à la compilation si quelqu'un essaie de le faire.

Dans le chapitre 14, vous avez vu que redéfinir une fonction surchargée dans la classe de base cache toutes les autres versions de cette fonction dans la classe de base. Quand il s'agit de fonctions virtualce comportement est légerèment différent. Considérez une version modifiée de l'exemple NameHiding.cppdu chapitre 14 :

//: C15:NameHiding2.cpp
// Les fonctions virtuelles restreignent la redéfinition
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Base {
public:
  virtual int f() const { 
    cout << "Base::f()\n"; 
    return 1; 
  }
  virtual void f(string) const {}
  virtual void g() const {}
};

class Derived1 : public Base {
public:
  void g() const {}
};

class Derived2 : public Base {
public:
  // Redéfinition d'une function virtuelle :
  int f() const { 
    cout << "Derived2::f()\n"; 
    return 2;
  }
};

class Derived3 : public Base {
public:
  // Ne peut pas changer le type de retour:
  //! void f() const{ cout << "Derived3::f()\n";}
};

class Derived4 : public Base {
public:
  // Changer la liste d'arguments :
  int f(int) const { 
    cout << "Derived4::f()\n"; 
    return 4; 
  }
};

int main() {
  string s("hello");
  Derived1 d1;
  int x = d1.f();
  d1.f(s);
  Derived2 d2;
  x = d2.f();
//!  d2.f(s); // version string cachée
  Derived4 d4;
  x = d4.f(1);
//!  x = d4.f(); // version f() cachée
//!  d4.f(s); // version string cachée
  Base& br = d4; // Upcast
//!  br.f(1); // version dérivée non disponible
  br.f(); // version de base disponible
  br.f(s); // version de base disponible
} ///:~

La première chose à noter est que dans Derived3, le compilateur ne vous autorisera pas à changer le type de retour d'une fonction surchargée (il le ferait si f( )n'était pas virtuelle). Ceci est une restriction importante parce que le compilateur doit garantir que vous pouvez appeler polymorphiquement la fonction depuis la classe de base, car si la classe de base s'attend à ce que f( )retourne un int, alors la version de f( )dans la classe dérivée doit respecter ce contrat autrement il y aura des problèmes.

La règle présentée dans le chapitre 14 fonctionne toujours : si vous redéfinissez un des membres surchargés de la classe de base, les autres versions surchargées deviennent invisibles dans la classe dérivée. Dans main( )le code qui teste Derived4montre que ceci se produit même si la nouvelle version de f( )ne redéfinit pas vraiment l'interface d'une fonction virtuelle existante – les deux versions de f( )dans la classe de base sont masquées par f(int). Cependant, si vous transtypez d4en Base, alors seulement les versions de la classe de base sont disponibles (parce que c'est ce que promet le contrat de la classe de base) et la version de la classe dérivée n'est pas disponible (parce qu'elle n'est pas spécifiée dans la classe de base).

15-9-1. Type de retour covariant▲

//: C15:VariantReturn.cpp
// Reenvoyer un pointeur ou une référence vers un type derivé
// pendant la redéfiniton
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class PetFood {
public:
  virtual string foodType() const = 0;
};

class Pet {
public:
  virtual string type() const = 0;
  virtual PetFood* eats() = 0;
};

class Bird : public Pet {
public:
  string type() const { return "Bird"; }
  class BirdFood : public PetFood {
  public:
    string foodType() const { 
      return "Bird food"; 
    }
  };
  // Upcast vers le type de base :
  PetFood* eats() { return &bf; }
private:
  BirdFood bf;
};

class Cat : public Pet {
public:
  string type() const { return "Cat"; }
  class CatFood : public PetFood {
  public:
    string foodType() const { return "Birds"; }
  };
  // Renvoie le type exact à la place :
  CatFood* eats() { return &cf; }
private:
  CatFood cf;
};

int main() {
  Bird b; 
  Cat c;
  Pet* p[] = { &b, &c, };
  for(int i = 0; i < sizeof p / sizeof *p; i++)
    cout << p[i]->type() << " eats "
         << p[i]->eats()->foodType() << endl;
  // peut renvoyer le type exact :
  Cat::CatFood* cf = c.eats();
  Bird::BirdFood* bf;
  // ne peut pas renvoyer le type exact :
//!  bf = b.eats();
  // On doit transtyper :
  bf = dynamic_cast<Bird::BirdFood*>(b.eats());
} ///:~

Quand un objet contenant des fonctions virtuelles est créé, son VPTR doit être initialisé pour pointer vers la VTABLE adaptée. Ceci doit être fait avant qu'il n'y ait la moindre possibilité d'appeler une fonction virtuelle. Comme vous pouvez l'imaginer, comme le constructeur a la charge d'amener un objet à l'existence, c'est également le travail du constructeur d'initialiser le VPTR. Le compilateur insère secrètement du code au début du constructeur qui initialise le VPTR. Et, comme décrit au Chapitre 14, si vous ne créez pas explicitement un constructeur pour une classe, le compilateur en synthétisera un pour vous. Si la classe contient des fonctions virtuelles, le constructeur synthétisé incluera le code approprié d'initialisation du VPTR. Ceci a plusieurs implications.

La première concerne l'efficacité. La raison pour l'existence des fonctions inlineest de réduire le surcoût de temps système de l'appel pour les petites fonctions. Si le C++ ne fournissait pas les fonctions inline, le préprocesseur pourrait être utilisé pour créer ces “macros”. Toutefois, le préprocesseur ne dispose pas des concepts d'accès ou de classes, et ainsi ne pourrait pas être utilisé pour créer des macros de fonctions membres. En outre, avec des constructeurs qui doivent avoir du code caché inséré par le compilateur, une macro du préprocesseur ne fonctionnerait pas du tout.

Vous devez être conscient, quand vous chassez des trous d'efficacité, que le compilateur insère du code caché dans votre fonction constructeur. Non seulement il doit initialiser le VPTR, mais il doit aussi vérifier la valeur de this(au cas où operator newretourne zéro) et appeler les constructeurs des classes de base. Le tout peut avoir un impact sur ce que vous pensiez être un petit appel à une fonction inline. En particulier, la taille du constructeur peut annihiler les économies que vous faisiez en réduisant le surcoût de temps de l'appel de la fonction. Si vous faites beaucoup d'appels inline au constructeur, la taille de votre code peut s'accroître sans aucun bénéfice de vitesse.

Bien sûr, vous ne rendrez probablement tous les petits constructeurs non-inline immédiatement, parce qu'il sont beaucoup plus faciles à écrire quand ils sont inline. Mais quand vous réglez votre code, souvenez-vous d'envisager à supprimer les constructeurs inline.

15-10-1. Ordre des appels au constructeur▲

15-10-2. Comportement des fonctions virtuelles dans les constructeurs▲

Vous ne pouvez pas utiliser le mot-clef virtualavec les constructeurs, mais les destructeurs, eux, peuvent et souvent doivent être virtuels.

Au constructeur incombe la tâche particulière d'assembler un objet morceau par morceau, d'abord en appelant le constructeur de base, puis les constructeurs dérivés dans l'ordre d'héritage (il doit également appeler les constructeurs des objets membres dans le même temps). De la même façon, le destructeur a un travail spécial : il doit désassembler un objet qui peut appartenir à une hiérarchie de classes. Pour ce faire, le compilateur génère du code qui appelle les destructeurs, mais dans l'ordre inverse de l'appel des constructeurs lors de la création. C'est-à-dire que le destructeur démarre par la classe la plus dérivée et trace sa route vers le bas de la hiérarchie, jusqu'à la classe de base. C'est la démarche fiable et donc désirable parce que le constructeur courant peut toujours savoir que les membres de la classe de base sont vivants et actifs. Si vous avez besoin d'appeler une fonction membre de la classe de base dans votre destructeur, cette façon de procéder est sûre. Ainsi, le destructeur peut réaliser son propre nettoyage, puis appeler le destructeur sous-jacent, qui réalisera sonpropre nettoyage, etc. Chaque destructeur sait de quoidérive sa classe, mais pas ce quidérive d'elle.

Vous devriez toujours garder à l'esprit que les constructeurs et les destructeurs sont les seuls endroits où cette hiérarchie d'appels doit se produire (et de ce fait, la hiérarchie appropriée est générée par le compilateur). Dans toutes les autres fonctions, seule cettefonction sera appelée (et pas les versions de la classe de base), qu'elle soit virtuelle ou non. La seule façon de provoquer un appel à la version de la classe de base d'une fonction (virtuelle ou non) est que vous appeliez explicitementcette fonction.

Normalement, l'action du destructeur est assez adéquate. Mais que se passe-t-il si vous voulez manipuler un objet via un pointeur vers sa classe de base (c'est-à-dire que vous manipulez l'objet via son interface générique) ? Cette activité est un objetctif majeur en programmation orientée objet. Le problème apparaît quand vous voulez détruire ( delete, ndt) un pointeur de ce type pour un objet qui a été créé sur le tas avec new. Si le pointeur pointe vers la classe de base, le compilateur ne peut avoir conscience que de la nécessité d'appeler la version de la classe de base du destructeur pendant la destruction par delete. Cela a l'air familier ? C'est le même problème que les fonctions virtuelles ont permis de résoudre dans le cas général. Heureusement, les fonctions virtuelles fonctionnent pour les destructeurs comme elles le font pour toutes les autres fonctions, excepté les constructeurs.

//: C15:VirtualDestructors.cpp
// Comportement du destructeur virtuel vs. non-virtuel
#include <iostream>
using namespace std;

class Base1 {
public:
  ~Base1() { cout << "~Base1()\n"; }
};

class Derived1 : public Base1 {
public:
  ~Derived1() { cout << "~Derived1()\n"; }
};

class Base2 {
public:
  virtual ~Base2() { cout << "~Base2()\n"; }
};

class Derived2 : public Base2 {
public:
  ~Derived2() { cout << "~Derived2()\n"; }
};

int main() {
  Base1* bp = new Derived1; // Upcast
  delete bp;
  Base2* b2p = new Derived2; // Upcast
  delete b2p;
} ///:~

Quand vous exécuterez le programme, vous verrez que delete bpappelle seulement le destructeur de la classe de base, alors que delete b2pappelle le destructeur de la classe dérivée suivi par le destucteur de la classe de base, qui est le comportement que nous recherchons. Oublier de rendre un destructeur virtualconstitue un bug insidieux parce que souvent il n'affecte pas directement le comportement de votre programme, mais peut introduire discrètement une fuite de mémoire. En outre, le fait qu'un peude destruction ait lieu peut encore plus masquer le problème.

Même si le destructeur, comme le constructeur, est une fonction “exceptionnelle”, il est possible que le destructeur soit virtuel parce que l'objet sait déjà de quel type il est (alors qu'il ne le sait pas durant la construction). Une fois qu'un objet a été construit, sont VPTR est initialisé, et les appels aux fonctions virtuelles peuvent avoir lieu.

15-11-1. Destructeurs virtuels purs▲

//: C15:UnAbstract.cpp
// Destructeurs virtuels purs
// semble se comporter étrangement

class AbstractBase {
public:
  virtual ~AbstractBase() = 0;
};

AbstractBase::~AbstractBase() {}

class Derived : public AbstractBase {};
// Pas de redéfinition nécessaire du destructeur ?

int main() { Derived d; } ///:~

//: C15:PureVirtualDestructors.cpp
// Destructeurs virtuels purs
// requiert un corps de fonction
#include <iostream>
using namespace std;

class Pet {
public:
  virtual ~Pet() = 0;
};

Pet::~Pet() {
  cout << "~Pet()" << endl;
}

class Dog : public Pet {
public:
  ~Dog() {
    cout << "~Dog()" << endl;
  }
};

int main() {
  Pet* p = new Dog; // Transtypage ascendant
  delete p; // Appel au destructeur virtuel
} ///:~

15-11-2. Les virtuels dans les destructeurs▲

//: C15:VirtualsInDestructors.cpp
// Appels virtuels dans les destructeurs
#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
  virtual ~Base() { 
    cout << "Base1()\n"; 
    f(); 
  }
  virtual void f() { cout << "Base::f()\n"; }
};

class Derived : public Base {
public:
  ~Derived() { cout << "~Derived()\n"; }
  void f() { cout << "Derived::f()\n"; }
};

int main() {
  Base* bp = new Derived; // Transtypage ascendant
  delete bp;
} ///:~

15-11-3. Créer une hiérarchie basée sur objet▲

//: C15:OStack.h
// Utiliser une hiérarchie à racine unique
#ifndef OSTACK_H
#define OSTACK_H

class Object {
public:
  virtual ~Object() = 0;
};

// Définition requise :
inline Object::~Object() {}

class Stack {
  struct Link {
    Object* data;
    Link* next;
    Link(Object* dat, Link* nxt) : 
      data(dat), next(nxt) {}
  }* head;
public:
  Stack() : head(0) {}
  ~Stack(){ 
    while(head)
      delete pop();
  }
  void push(Object* dat) {
    head = new Link(dat, head);
  }
  Object* peek() const { 
    return head ? head->data : 0;
  }
  Object* pop() {
    if(head == 0) return 0;
    Object* result = head->data;
    Link* oldHead = head;
    head = head->next;
    delete oldHead;
    return result;
  }
};
#endif // OSTACK_H ///:~

//: C15:OStackTest.cpp
//{T} OStackTest.cpp
#include "OStack.h"
#include "../require.h"
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

// Utilise l'héritage multiple. Nous voulons à la fois
// un string et un Object :
class MyString: public string, public Object {
public:
  ~MyString() {
    cout << "deleting string: " << *this << endl;
  }
  MyString(string s) : string(s) {}
};

int main(int argc, char* argv[]) {
  requireArgs(argc, 1); // Le nom de fichier (File Name) est un argument
  ifstream in(argv[1]);
  assure(in, argv[1]);
  Stack textlines;
  string line;
  // Lit le fichier et stocke les lignes dans la stack :
  while(getline(in, line))
    textlines.push(new MyString(line));
  // Dépile des lignes de la stack :
  MyString* s;
  for(int i = 0; i < 10; i++) {
    if((s=(MyString*)textlines.pop())==0) break;
    cout << *s << endl;
    delete s; 
  }
  cout << "Letting the destructor do the rest:"
    << endl;
} ///:~

Vous pouvez rendre les opérateurs virtuelsexactement comme les autres fonctions membres. Implémenter des opérateurs virtuelsdevient souvent déroutant, toutefois, parce que vous pouvez manipuler deux objets, chacun d'un type inconnu. C'est généralement le cas avec les composants mathématiques (pour lesquels vous surchargez souvent les opérateurs). Par exemple, considérez un système qui traite de matrices, de vecteurs et de valeurs scalaires, toutes les trois étant dérivées de la classe Math:

//: C15:OperatorPolymorphism.cpp
// Polymorphisme avec des opérateurs surchargés
#include <iostream>
using namespace std;

class Matrix;
class Scalar;
class Vector;

class Math {
public:
  virtual Math& operator*(Math& rv) = 0;
  virtual Math& multiply(Matrix*) = 0;
  virtual Math& multiply(Scalar*) = 0;
  virtual Math& multiply(Vector*) = 0;
  virtual ~Math() {}
};

class Matrix : public Math {
public:
  Math& operator*(Math& rv) {
    return rv.multiply(this); // 2ème répartition
  }
  Math& multiply(Matrix*) {
    cout << "Matrix * Matrix" << endl;
    return *this;
  }
  Math& multiply(Scalar*) {
    cout << "Scalar * Matrix" << endl;
    return *this;
  }
  Math& multiply(Vector*) {
    cout << "Vector * Matrix" << endl;
    return *this;
  }
};

class Scalar : public Math  {
public:
  Math& operator*(Math& rv) {
    return rv.multiply(this); // 2ème répartition
  }
  Math& multiply(Matrix*) {
    cout << "Matrix * Scalar" << endl;
    return *this;
  }
  Math& multiply(Scalar*) {
    cout << "Scalar * Scalar" << endl;
    return *this;
  }
  Math& multiply(Vector*) {
    cout << "Vector * Scalar" << endl;
    return *this;
  }
};

class Vector : public Math  {
public:
  Math& operator*(Math& rv) {
    return rv.multiply(this); // 2ème répartition
  }
  Math& multiply(Matrix*) {
    cout << "Matrix * Vector" << endl;
    return *this;
  }
  Math& multiply(Scalar*) {
    cout << "Scalar * Vector" << endl;
    return *this;
  }
  Math& multiply(Vector*) {
    cout << "Vector * Vector" << endl;
    return *this;
  }
};

int main() {
  Matrix m; Vector v; Scalar s;
  Math* math[] = { &m, &v, &s };
  for(int i = 0; i < 3; i++)
    for(int j = 0; j < 3; j++) {
      Math& m1 = *math[i];
      Math& m2 = *math[j];
      m1 * m2;
    }
} ///:~

Pour simplifier, seul operator*a été surchargé. Le but est d'être capable de multiplier n'importe quel couple d'objets Mathet de produire le résultat désiré – et notez que multiplier un vecteur par une matrice est une opération très différente de la multiplication d'une matrice par un vecteur.

Le problème est que, dans main( ), l'expression m1 * m2contient deux références vers Mathupcastées, et donc deux objets de type inconnu. Une fonction virtuelle n'est capable de réaliser qu'une seule répartition – c'est-à-dire déterminer le type d'un seul objet inconnu. Pour déterminer le type des deux objets une technique baptisée répartition multipleest utilisée dans cet exemple, par laquelle ce qui semble être un appel unique à une fonction virtuelle résulte en un deuxième appel à une fonction virtuelle. Lorsque ce deuxième appel est effectué, vous avez déterminé le type des deux objets, et pouvez accomplir l'action appropriée. Ce n'est pas transparent à première vue, mais si vous examinez cet exemple quelque temps cela devrait commencer à prendre du sens. Ce sujet est exploré plus en profondeur dans le chapitre sur les Design Pattern dans le Volume 2, que vous pouvez télécharger sur www.BruceEckel.com(et bientôt www.developpez.com, ndt).

Vous pouvez le deviner, comme il existe une chose telle que le transtypage ascendant – monter d'un degré dans la hiérarchie de l'héritage – il devait également y avoir un transtypage descendantpour descendre cette même hiérarchie. Mais le transtypage ascendant est facile puisque comme vous remontez la hiérarchie d'héritage les classes convergent toujours vers des classes plus générales. C'est-à-dire que quand vous réalisez un transtypage ascendant vous êtes toujours clairement dérivé d'une classe ancestrale (typiquement une seule, sauf dans le cas de l'héritage multiple)mais quand vous transtypez de manière descendante il y a généralement plusieurs possibilités vers lesquelles vous pouvez transtyper. Plus précisément, un Circle(cercle, ndt) est un type de Shape(forme, ndt) (transtypage ascendant), mais si vous essayez de transtyper un Shapeen descendant cela pourrait être un Circle, un Square(carré, ndt), un Triangle, etc. Le dilemme est alors de trouver une manière sûre de réaliser le transtypage descendant. (Mais un problème encore plus important est de vous demander avant tout pourquoi vous avez besoin de le faire au lieu d'utiliser simplement le polymorphisme pour deviner automatiquement le type correct. La manière d'éviter le transtypage descendant est abordé dans le Volume 2 de ce livre.)

Le C++ fournit un transtypage explicitespécial (introduit au Chapitre 3) appelé dynamic_castqui est une opération de transtypage descendant fiable. Quand vous utilisez le dynamic_castpour essayer de transtyper de manière descendante vers un type particulier, la valeur de retour sera un pointeur vers le type désiré uniquement si le transtypage est propre et a réussi, autrement cela retournera un zéro pour indiquer que ce n'était pas le type correct. Voici un petit exemple :

//: C15:DynamicCast.cpp
#include <iostream>
using namespace std;

class Pet { public: virtual ~Pet(){}};
class Dog : public Pet {};
class Cat : public Pet {};

int main() {
  Pet* b = new Cat; // Transtypage ascendant
  // Essaye de le transtyper en Dog* :
  Dog* d1 = dynamic_cast<Dog*>(b);
  // Essaye de le transtyper en Cat* :
  Cat* d2 = dynamic_cast<Cat*>(b);
  cout << "d1 = " << (long)d1 << endl;
  cout << "d2 = " << (long)d2 << endl;
} ///:~

Quand vous utilisez dynamic_cast, vous devez travailler ave une hiérarchie polymorphique vraie – qui contient des fonctions virtuelles – parce que le dynamic_castutilise des informations stockées dans la VTABLE pour déterminer le type réel. Ici, la classe de base contient un destructeur virtuel et cela suffit. Dans main( ), un pointeur Catest transtypé en un Pet(transtypage ascendant), puis on tente un transtypage descendant vers un pointeur Doget un pointeur Cat. Les deux pointeurs sont imprimés, et vous verrez quand vous exécuterez le programme que le transtypage descendant incorrect produit un résultat nul. Bien sûr, à chaque fois que vous réalisez un transtypage descendant vous avez la charge de vérifier que le résultat de l'opération n'est pas nul. Vous ne deriez également pas supposer que le pointeur sera exactement identique, parce qu'il arrive que des ajustements de pointeur se réalisent pendant les transtypages ascendant et descendant (en particulier avec l'héritage multiple).

Un dynamic_castrequiert un peu de temps système supplémentaire pour s'exécuter ; pas beaucoup, mais si vous réalisez de nombreux dynamic_cast(auquel cas vous devriez sérieusement remettre en cause votre conception) cela peut devenir un probème en terme de performance. Dans certains cas, vous pouvez savoir quelque chose de précis pendant le transtypage descendant qui vous permette de dire à coup sûr à quel type vous avez à faire, et dans ce cas le temps supplémentaire du dynamic_castn'est plus nécessaire et vous pouvez utiliser un static_castà sa place. Voici un exemple montrant comment cela peut marcher :

//: C15:StaticHierarchyNavigation.cpp
// Naviguer dans la hiérarchie de classe avec static_cast
#include <iostream>
#include <typeinfo>
using namespace std;

class Shape { public: virtual ~Shape() {}; };
class Circle : public Shape {};
class Square : public Shape {};
class Other {};

int main() {
  Circle c;
  Shape* s = &c; // Transtypage ascendant : normal et OK
  // Plus explicite mais pas nécessaire :
  s = static_cast<Shape*>(&c);
  // (Comme le transtypage ascendant est un opération sûre et
  // courante, le transtypage devient encombrant)
  Circle* cp = 0;
  Square* sp = 0;
  // Navgation statique dans les hiérarchies de classes
  // requiert un type d'information supplémentaire :
  if(typeid(s) == typeid(cp)) // RTTI C++ 
    cp = static_cast<Circle*>(s);
  if(typeid(s) == typeid(sp))
    sp = static_cast<Square*>(s);
  if(cp != 0)
    cout << "It's a circle!" << endl;
  if(sp != 0)
    cout << "It's a square!" << endl;
  // La navigation statique est SEULEMENT un hack d'efficacité ;
  // le dynamic_cast est toujours plus sûr. Toutefois :
  // Other* op = static_cast<Other*>(s);
  // Donne de manière appropriée un message d'erreur, alors que
  Other* op2 = (Other*)s;
  // ne le fait pas
} ///:~

Dans ce programme, une nouvelle fonctionnalité est utilisée que l'on ne décrira pas complètement avant le Volume 2 de ce livre, où un chapitre est consacré au sujet du mécanisme d' information de type à l'exécution( run-time type information, ndt, ou RTTI) du C++. Le RTTI vous permet de découvrir une information de type qui a été perdu par le transtypage ascendant. Le dynamic_castest en fait une forme de RTTI. Ici, le mot-clef typeid(déclaré dans le fichier d'en-tête <typeinfo>) est utilisé pour détecter les types des pointeurs. Vous pouvez constater que le type du pointeur Shapetranstypé vers le haut est successivement comparé à un pointeur Circleet à un pointeur Squarepour voir s'il y a correspondance. Le RTTI contient plus de choses que seulement typeid, et vous pouvez aussi imaginer qu'il serait relativement facile d'implémenter votre propre système d'information de type en utilisant une fonction virtuelle.

Un objet Circleest créé et une opération de transtypage ascendant est réalisée vers un pointeur Shape; la deuxième version de l'expression montre comment utiliser static_castpour être plus explicite en ce qui concerne le transtypage ascendant. Toutefois, comme un transtypage ascendant est toujours fiable et que c'est une opération courante, je considère qu'un transtypage explicite n'est dans ce cas pas nécessaire et se révèle encombrant.

Le RTTI est utilisé pour déterminer le type, puis static_castest utilisé pour réaliser le transtypage descendant. Remarquez toutefois quand dans cette approche le processus est en fait le même que quand on utilise dynamic_cast, et le programmeur client doit faire des tests pour découvrir le transtypage qui a vraiment réussi. Typiquement, vous aurez intérêt à vous trouver dans une situation plus déterministe que l'exemple ci-dessus avant d'utiliser static_castde préférence à dynamic_cast(et, encore une fois, vous avez intérêt à examiner soigneusement votre conception avant d'utiliser dynamic_cast).

Si une hiérarchie de classes n'a pas de fonctions virtuelles (ce qui est une conception discutable) ou si vous avez une autre information qui vous permet de réaliser un transtypage descendant fiable, il est un peu plus rapide de réaliser le transtypage avec static_castplutôt qu'avec dynamic_cast. En outre, static_castne vous permettra pas de transtyper hors de la hiérarchie, comme le transtypage traditionnel laisserait faire, et est donc plus sûr. Toutefois, naviguer dans la hiérarchie des classes en statique est toujours risqué et vous devriez utiliser dynamic_castà moins que vous ne vous trouviez dans une situation spéciale.

Le polymorphisme – implémenté en C++ à l'aide des fonctions virtuelles – signifie “formes variées”. Dans la programmation orientée objet, vous avez le même visage (l'interface commune dans la classe de base) et plusieurs formes utilisant ce visage : les différentes versions des fonctions virtuelles.

Vous avez vu dans ce chapitre qu'il est impossible de comprendre, ou même de créer, un exemple de polymorphisme sans utiliser l'abstraction des données et l'héritage. Le polymorphisme est une fonctionnalité qui ne peut être vue isolément (comme les instructions constou switch, par exemple), mais au lieu de cela ne fonctionne que de concert, comme un élément d'un “grand tableau” des relations entre classes. Les gens sont souvent embrouillés par d'autres aspects du C++, qui ne sont pas orientés objet, comme la surcharge et les arguments par défaut, qui sont parfois présentés comme orientés objet. Ne vous laissez pas avoir : si ce n'est pas de la liaison tardive, ce n'est pas du polymorphisme.

Pour utiliser le polymorphisme – et donc les techniques orientées objet – efficacement dans vos programmes, vous devez élargir votre vision de la programmation pour inclure non seulement les membres et les messages d'une classe individuelle, mais également ce qu'il y a de commun entre des classes et leurs relations les unes avec les autres. Bien que cela demande des efforts significatifs, c'est un jeu qui vaut la chandelle, parce que les résultats sont un développement plus rapide, une meilleure organisation du code, des programmes extensibles et une maintenance plus facile du code.

Le polymorphisme complète les fonctionnalités orientées objet du langage, mais il y a deux autres fonctionnalités majeures en C++ : les templates (qui sont introduits au Chapitre 16 et couverts plus en détails dans le Volume 2), et la gestion des exceptions (qui est couverte dans le Volume 2). Ces fonctionnalités vous apportent autant d'augmentation de la puissance de programmation que chacune des fonctionnalités orientées objet : typage abstrait des données , héritage et polymorphisme.

Les solutions à certains exercices peuvent être trouvées dans le document électronique The Thinking in C++ Annotated Solution Guide, disponible pour une somme modique sur www.BruceEckel.com.

1. Créez une hiérarchie simple de “shape” (formes ndt) : une classe de base appelée Shapeet des classes dérivées appelées Circle, Square, et Triangle. Dans la classe de base, créez une fonction virtuelle appelée draw( )et redéfinissez-là dans les classes dérivées. Faites un tableau de pointeurs vers les objets Shapeque vous créez sur le tas (et ainsi réalisez un transtypage ascendant des pointeurs), et appelez draw( )via les pointeurs de la classe de base, pour vérifier le comportement de la fonction virtuelle. Si votre debogueur le supporte, suivez le code pas à pas.
2. Modifiez l'exercice 1 de telle sorte que draw( )soit une fonction virtuelle pure. Essayez de créer un objet de type Shape. Essayez d'appeler la fonction virtuelle pure dans le constructeur et voyez ce qui se produit. En laissant draw( )virtuelle pure, donnez-lui une définition.
3. En développant l'exercice 2, créez une fonction qui prenne un objet Shapepar valeuret essayez de réaliser le transtypage ascendant d'un objet dérivé passé comme argument. Voyez ce qui se produit. Corrigez la fonction en prenant une référence vers l'objet Shape.
4. Modifiez C14:Combined.cpppour que f( )soit virtualdans la classe de base. Modifiez main( )pour réaliser un transtypage ascendant et un appel virtuel.
5. Modifez Instrument3.cppen ajoutant une fonction virtual prepare( ). Appelez prepare( )depuis tune( ).
6. Créez une hiérarchie d'héritage de Rodent: Mouse, Gerbil, Hamster, etc. Dans la classe de base, fournissez des méthodes qui sont communes à tous les Rodent, et redéfinissez-les dans les classes dérivées pour générer des comportements différents selon le type spécifique de Rodent. Créez un tableau de pointeurs vers Rodent, remplissez-le avec différents types spécifiques de Rodent, et appelez vos méthodes de la classe de base pour voir ce qui se produit.
7. Modifiez l'exercice 6 pour utiliser un vector<Rodent*>au lieu d'un tableau de pointeurs. Assurez-vous que la mémoire est nettoyée proprement.
8. En partant de la hiérarchie Rodentprécédente, faites hériter BlueHamsterde Hamster(oui, un tel animal existe ; j'en ai eu un quand j'étais enfant), redéfinissez les méthodes de la classe de base, et montrez que le code qui appelle les méthodes de la classe de base n'a pas besoin d'être modifié pour s"asapter au nouveau type.
9. En partant de la hiérarchie Rodentprécédente, ajoutez un destructeur non virtuel, créez un objet de classe Hamsteren utilisant new, réalisez un transtypage ascendant du pointeur vers un Rodent*, et detruisezle pointeur pour montrer qu'il n'appelle pas tous les destructeurs dans la hiérarchie. Rendez le destructeur virtuel et démontrez que le comportement est à présent correct.
10. En partant de la hiérarchie Rodentprécédente, modifiez Rodentpour en faire une classe de base abstraite pure.
11. Créez un système de contrôle aérien avec la classe de base Aircraftet différents types dérivés. Créez une classe Toweravecc un vector<Aircraft*>qui envoie les messages appropriés aux différents aircraft sous son contrôle.
12. Créez un modèle de serre en héritant différents types de Planteset en construisant des mécanismes dans votre serre qui prennnent soin des plantes.
13. Dans Early.cpp, faites de Petune classe abstraite pure.
14. Dans AddingVirtuals.cpp, rendez toutes les fonctions membre de Petvirtuelles pures, mais donnez une définition pour name( ). Corrigez Dogcomme il faut, en utilisant la définition de la classe de base de name( ).
15. Ecrivez un petit programme pour montrer la différencee entre appeler une fonction virtuelle dans une fonction membre normale et appeler une fonction virtuelle dans un constructeur. Le programme devrait prouver que les deux appels produisent des résultats différents.
16. Modifiez VirtualsInDestructors.cppen faisant hériter une classe de Derivedet en redéfinissant f( )et le destructeur. Dans main( ), créez une objet de votre nouveau type puis réalisez un transtypage ascendant et détruisez-le avec delete.
17. Prenez l'exercice 16 et ajoutez des appels à f( )dans chaque destructeur. Expliquez ce qui se passe.
18. Créez une classe qui contient une donnée membre et une classe dérivée qui ajoute une autre donnée membre. Ecrivez une fonction non-membre qui prend un objet de la classe de base par valeuret affiche la taille de cet objet en utilisant sizeof. Dans main( ), créez un objet de la classe dérivée, affichez sa taille, puis appelez votre fonction. Expliquez ce qui se passe.
19. Créez un exemple simple d'un appel à une fonction virtuelle et générez la sortie assembleur. Localisez le code assembleur pour l'appel virtuel et tracez et expliquez le code.
20. Ecrivez une classe avec une fonction virtuelle et une non virtuelle. Faites-en hériter une nouvelle classe, créez un objet de cette classe, et faites un transtypage ascendant vers un pointeur du type de la classe de base. Utilisez la fonction clock( )qui se trouve dans <ctime>(vous aurez besoin de chercher cela dans votre guide local de la bibliothèque C) pour mesurer la différence entre un appel virtuel et non virtuel. Vous aurez besoin de faire plusieurs appels à chaque fonction dans votre boucle de chronométrage afin de voir la différence.
21. Modifiez C14:Order.cppen ajoutant une fonction virtuelle dans la classe de base de la macro CLASS(faites-la afficher quelque chose) et en rendant le destructeur virtuel. Créez des objets des différentes sous-classes et transtypez les vers la classe de base. Vérifiez que le comportement virtuel fonctionne et que la construction et la destruction appropriées ont lieu.
22. Créez une classe avec trois focntions virtuelles suchargées. Héritez une nouvelle classe de celle-ci et redéfinissez une des fonctions. Créez un objet de votre classe dérivée. Pouvez-vous appeler toutes les fonctions de la classe de base via l'objet de la classe dérivée ? Transtypez l'adresse de l'objet vers la base. Pouvez-vous appeler les trois fonctions via la base ? Supprimez la redéfinition dans la classe dérivée. A présent, pouvez-vous appeler toutes les fonctions de la classe de base via l'objet de la classe dérivée ?
23. Modifiez VariantReturn.cpppour montrer que son comportement fonctionne avec les références comme avec les pointeurs.
24. Dans Early.cpp, comment pouvez-vous dire si le compilateur fait l'appel en utilisant la liaison précoce ou retardée ? Déterminez ce qu'il en est pour votre propre compilateur.
25. Créez une classe de base contenant une fonction clone( )qui retourne un pointeur vers une copiede l'objet courant. Dérivez deux sous-classes qui redéfinissent clone( )pour retourner des copies de leur type spécifique. Dans main( ), créez puis transtypez des objets de vos deux types dérivés, puis appelez clone( )pour chacun d'eux et vérifiez que les copies clonées sont du sous-type correct. Testez votre fonction clone( )pour que vous retourniez le type de base, puis essayez de retourner le type dérivé exact. Pouvez-vous imaginer des situations pour lesquelles cette dernière approche soit nécessaire ?
26. Modifiez OStackTest.cppen créant votre propre classe, puis en faisant une dérivée multiple avec Objectpour créer quelque chose qui peut être placé dans Stack. Testez votre classe dans main( ).
27. Ajoutez un type appelé Tensorà OperatorPolymorphism.cpp.
28. (Intermédiaire) Créez une classe Xde base sans donnée membre ni constructeur, mais avec une fonction virtuelle. Créez une classe Yqui hérite de X, mais sans constructeur explicite. Générer le code assembleur et examinez-le pour déterminer si un constructeur est créé et appelé pour X, et si c'est le cas, ce que fait le code. Expliquez ce que vous découvrez. Xn'a pas de constructeur par défaut, alors pourquoi le compilateur ne se plaint-il pas ?
29. (Intermédiaire) Modifiez l'exercise 28 en écrivant des constructeurs pour les deux classes afin que chaque constructeur appelle une fonction virtuelle. Générez le code assembleur. Déterminez où le VPTR est affecté dans chaque constructeur. Est-ce que le mécanisme virtuel est utilisé par votre compilateur dans le constructeur ? Etablissez pourquoi la version locale de la fonction est toujours appelée.
30. (Avancé) Si les appels aux fonctions contenant un objet passé par valeur n'étaient paslié précocément, un appel virtuel pourrait accéder à des parties qui n'existent pas. Est-ce possible ? Ecrivez du code qui force un appel virtuel, et voyez si cela provoque un plantage. Pour expliquer le comportement, examinez ce qui se passe quand vous passez un objet par valeur.
31. (Avancé) Trouvez exactement combien de temps supplémentaire est requis pour un appel à une fonction virtuelle en allant consulter l'information concernant le langage assembleur de votre processeur ou un autre manuel technique et trouvez le nombre de cycles d'horloge requis pour un simple appel contre celui requis pour les instructions de l'appel de la fonction virtuelle.
32. Déterminez la taille du VPTR avec sizeofpour vorte implémentation. A présent, héritez multiple de deux classes qui contiennent des fonctions virtuelles. Avez-vous obtenu un ou deux VPTR dans la classe dérivée ?
33. Créez une classe avec des données membres et des fonctions virtuelles. Ecrivez une fonction qui regarde le contenu mémoire dans un objet de votre classe et en affiche les différentes parties de celui-ci. Pour ce faire, vous aurez besoin d'expérimenter et de découvrir par itérations où est localisé le VPTR dans l'objet.
34. Imaginez que les fonctions virtuelles n'existent pas, et modifiez Instrument4.cppafin qu'elle utilise dynamic_castpour faire l'équivalent des appels virtuels. Expliquez pourquoi c'est une mauvaise idée.
35. Modifiez StaticHierarchyNavigation.cppafin qu'au lieu d'utiliser la RTTI du C++ vous créiez votre propre RTTI via une fonction virtuelle dans la classe de base appelée whatAmI( )et une énumération { Circles, Squares };.
36. Partez de PointerToMemberOperator.cppdu chapitre 12 et montrez que le polymorphisme fonctionne toujours avec des pointeurs vers membres, même si operator->*est surchargé.