Background

不知道你有沒有過這樣的經驗 - 想要在父類的 constructor 裏面呼叫被子類 override (或是 implement) 的 (pure) virtual function?

我試過. 跟我一樣這樣玩過的朋友, 很快就會學到它不會如你所期望的那樣運作. 如果你的期望是當建構 Derived 的 object instance 時, Derived::on_create 會被呼叫. 要是 Base::on_create 宣告成 pure virtual 的話, 你更會發現它甚至 不能 compile.

這樣的結果或許不是那麼直覺, 但背後的原因卻非常簡單 - virtual function 的 override 是發生在 object instance 被建構的時候.

=== mini tutorial ===

Class Derived 的 object layout 長得像下面這樣 (p 為指向一 Derived 的 object 的指標):

       +---------+      +-----------------------------+
p----->|   vptr  |----->| ptr to typeinfo for Derived |
       +---------+      +-----------------------------+
       |    x    |      |      Derived::on_create     |
       +---------+      +-----------------------------+
       |    y    |
       +---------+

由於擁有 virtual function 的原因, Derived 的 object instance 在記憶體中會有一個指向其 vtable (virtual table) 的 vptr (virtual pointer).

=== end mini tutorial ===

Behind the Scenes

打開你的 Inside the C++ Object Model 複習一下. 當我們在程式中建構一個 Derived 的 object instance 時, 先被建構的是其父類 - 也就是 class Base 的部份 - 而後, 才會建構屬於 class Derived 的部份. 這過程可約略分為幾個階段:

1. 準備 Base
2. 起始 Base 的 member, 也就是 Base::x
3. 呼叫 Base 的 constructor
4. Base 部份建構完成
5. 準備 Derived
6. 起始 Derived 的 member, 也就是 Derived::y
7. 呼叫 Derived 的 constructor
8. Derived 完整建構

許多人可能不曉得 object 的建構還有上述階段一與階段五的 "準備" 工作. 這裡說的準備, 說穿了其實就是設定 object 的 vptr! 也就是說一直到程式完成步驟五之前, 這個 object 的 vptr 指向的是屬於 class Base 的 vtable:

       +---------+      +-----------------------------+
p----->|   vptr  |----->|   ptr to typeinfo for Base  |
       +---------+      +-----------------------------+
       |    x    |      |        Base::on_create      |
       +---------+      +-----------------------------+
       |    y    |
       +---------+

完成了步驟五, 這個 object 的 vptr 才會改而指向 class Derived 的 vtable. Derived::on_create 正是在這個時候 override 了 Base::on_create:

       +---------+      +-----------------------------+
p----->|   vptr  |--+   |   ptr to typeinfo for Base  |
       +---------+  |   +-----------------------------+
       |    x    |  |   |        Base::on_create      |
       +---------+  |   +-----------------------------+
       |    y    |  |
       +---------+  |   +-----------------------------+
                    +-->| ptr to typeinfo for Derived |
                        +-----------------------------+
                        |      Derived::on_create     |
                        +-----------------------------+

因此, 在例中 Base 的 constructor (也就是表中的步驟三) 參考到的 on_create 不會是被 Derived override 的版本.

With a Little Twist

前面提到如果 Base::on_create 被宣告成 pure virtual, 任何嘗試建構 Derived 的程式將不能成功編譯.

因為在這情況下, (假裝這樣的程式可以 compile 並運行) 在開始步驟三時 object 的 layout 會是像這樣:

       +---------+      +-----------------------------+
p----->|   vptr  |----->|   ptr to typeinfo for Base  |
       +---------+      +-----------------------------+
       |    x    |      |    <pure virtual marker>    |
       +---------+      +-----------------------------+
       |    y    |
       +---------+

Compiler 會在 class Base 的 vtable 內, 原本紀錄著 Base::on_create 的欄位標上一個特殊的 marker 以表示該 virtual function 為 pure virtual. 既然 pure virtual function 是不能被使用者以有意義的方式參考, 間接呼叫了 pure virtual function 的 Derived 的 constructor (Derived ctor -> Base ctor -> pure virtual) 當然也是無效的.

What About Destructors

在 destructor 內呼叫 (pure) virtual function 也有完全一樣的問題. 只要把文中 object 建構的步驟反過來就可以理解其中的原因.

Good night.