C++11新特性之七——final/override控制

重载和重写的区别参见：

C++继承中重载、重写、重定义的区别：

在了解C++11中的final/override关键字之前，我们先回顾一下C++关于重载的概念。简单地说，一个类A中声明的虚函数fun在其派生类B中再次被定义，且B中的函数fun跟A中fun的原型一样（函数名、参数列表等一样），那么我们就称B重写（override）了A的fun函数。对于任何B类型的变量，调用成员函数fun都是调用了B重写的版本。而如果同时有A的派生类C，却并没有重写A的fun函数，那么调用成员函数fun则会调用A中的版本。这在C++中就实现多态。

在通常情况下，一旦在基类A中的成员函数fun被声明为virtual的，那么对于其派生类B而言，fun总是能够被重写的。有的时候我们并 不想fun在B类型派生类中被重写 ，那么，C++98没有方法对此进行限制。我们看看下面这个具体的例子，如代码清单2-23所示。

代码清单2-23

#include <iostream>
using namespace std;

class MathObject{
public:
    virtual double Arith() = ;
    virtual void Print() = ;
};

class Printable : public MathObject{
public:
   double Arith() = ;
   void Print() // 在C++98中我们无法阻止该接口被重写
   {
       cout << "Output is: " << Arith() << endl;
   }
};

class Add2 : public Printable {
public:
    Add2(double a, double b): x(a), y(b) {}
    double Arith() { return x + y; }
private:
    double x, y;
};

class Mul3 : public Printable {
public:
    Mul3(double a, double b, double c): x(a), y(b), z(c) {}
    double Arith() { return x * y * z; }
private:
    double x, y, z;
};
// 编译选项:g++ 2-10-1.cpp

在代码清单2-23中，我们的基础类MathObject定义了两个接口：Arith和Print。类Printable则继承于MathObject并实现了Print接口。接下来，Add2和Mul3为了使用MathObject的接口和Printable的Print的实现，于是都继承了Printable。这样的类派生结构，在面向对象的编程中非常典型。不过倘若这里的Printable和Add2是由两个程序员完成的，Printable的编写者不禁会有一些忧虑，如果Add2的编写者重写了Print函数，那么他所期望的统一风格的打印方式将不复存在。

对于Java这种所有类型派生于单一元类型（Object）的语言来说，这种问题早就出现了。因此Java语言使用了final关键字来阻止函数继续重写。final关键字的作用是使派生类不可覆盖它所修饰的虚函数。C++11也采用了类似的做法，如代码清单2-24所示的例子。

代码清单2-24

struct Object{
    virtual void fun() = ;
};

struct Base : public Object {
    void fun() final;   // 声明为final
};

struct Derived : public Base {
    void fun();     // 无法通过编译
};
// 编译选项:g++ -c -std=c++11 2-10-2.cpp

在代码清单2-24中，派生于Object的Base类重载了Object的fun接口，并将本类中的fun函数声明为final的。那么派生于Base的Derived类对接口fun的重载则会导致编译时的错误。同理，在代码清单2-23中，Printable的编写者如果要阻止派生类重载Print函数，只需要在定义时使用final进行修饰就可以了。

读者可能注意到了，在代码清单2-23及代码清单2-24两个例子当中，final关键字都是用于描述一个派生类的。那么基类中的虚函数是否可以使用final关键字呢？答案是肯定的，不过这样将使用该虚函数无法被重载，也就失去了虚函数的意义。如果不想成员函数被重载，程序员可以直接将该成员函数定义为非虚的。而final通常只在继承关系的“中途”终止派生类的重载中有意义。从接口派生的角度而言，final可以在派生过程中任意地阻止一个接口的可重载性，这就给面向对象的程序员带来了更大的控制力。

在C++中重载还有一个特点，就是对于基类声明为virtual的函数，之后的重载版本都不需要再声明该重载函数为virtual。即使在派生类中声明了virtual，该关键字也是编译器可以忽略的。这带来了一些书写上的便利，却带来了一些阅读上的困难。比如代码清单2-23中的Printable的Print函数，程序员无法从Printable的定义中看出Print是一个虚函数还是非虚函数。另外一点就是，在C++中有的虚函数会“跨层”，没有在父类中声明的接口有可能是祖先的虚函数接口。比如在代码清单2-23中，如果Printable不声明Arith函数，其接口在Add2和Mul3中依然是可重载的，这同样是在父类中无法读到的信息。这样一来，如果类的继承结构比较长（不断地派生）或者比较复杂（比如偶尔多重继承），派生类的编写者会遇到信息分散、难以阅读的问题（虽然有时候编辑器会进行提示，不过编辑器不是总是那么有效）。而自己是否在重载一个接口，以及自己重载的接口的名字是否有拼写错误等，都非常不容易检查。

在C++11中为了帮助程序员写继承结构复杂的类型，引入了虚函数描述符override，如果派生类在虚函数声明时使用了override描述符，那么该函数必须重载其基类中的同名函数，否则代码将无法通过编译。我们来看一下如代码清单2-25所示的这个简单的例子。

代码清单2-25

struct Base {
    virtual void Turing() = ;
    virtual void Dijkstra() = ;
    virtual void VNeumann(int g) = ;
    virtual void DKnuth() const;
    void Print();
};

struct DerivedMid: public Base {
    // void VNeumann(double g);
    // 接口被隔离了，曾想多一个版本的VNeumann函数
};

struct DerivedTop : public DerivedMid {
    void Turing() override;
    void Dikjstra() override;           // 无法通过编译，拼写错误，并非重载
    void VNeumann(double g) override;   // 无法通过编译，参数不一致，并非重载
    void DKnuth() override;             // 无法通过编译，常量性不一致，并非重载
    void Print() override;              // 无法通过编译，非虚函数重载
};
// 编译选项:g++ -c -std=c++11 2-10-3.cpp

在代码清单2-25中，我们在基类Base中定义了一些virtual的函数（接口）以及一个非virtual的函数Print。其派生类DerivedMid中，基类的Base的接口都没有重载，不过通过注释可以发现，DerivedMid的作者曾经想要重载出一个“void VNeumann(double g)”的版本。这行注释显然迷惑了编写DerivedTop的程序员，所以DerivedTop的作者在重载所有Base类的接口的时候，犯下了3种不同的错误：

函数名拼写错，Dijkstra误写作了Dikjstra。

函数原型不匹配，VNeumann函数的参数类型误做了double类型，而DKnuth的常量性在派生类中被取消了。

重写了非虚函数Print。

如果没有override修饰符，DerivedTop的作者可能在编译后都没有意识到自己犯了这么多错误。因为编译器对以上3种错误不会有任何的警示。这里override修饰符则可以保证编译器辅助地做一些检查。我们可以看到，在代码清单2-25中，DerivedTop作者的4处错误都无法通过编译。

此外，值得指出的是，在C++中，如果一个派生类的编写者自认为新写了一个接口，而实际上却重载了一个底层的接口（一些简单的名字如get、set、print就容易出现这样的状况），出现这种情况编译器还是爱莫能助的。不过这样无意中的重载一般不会带来太大的问题，因为派生类的变量如果调用了该接口，除了可能存在的一些虚函数开销外，仍然会执行派生类的版本。因此编译器也就没有必要提供检查“非重载”的状况。而检查“一定重载”的override关键字，对程序员的实际应用则会更有意义。

还有值得注意的是，如我们在第1章中提到的，final/override也可以定义为正常变量名，只有在其出现在函数后时才是能够控制继承/派生的关键字。通过这样的设计，很多含有final/override变量或者函数名的C++98代码就能够被C++编译器编译通过了。但出于安全考虑，建议读者在C++11代码中应该尽可能地避免这样的变量名称或将其定义在宏中，以防发生不必要的错误。