Cの仮想関数とは何ですか、そしてそれらはどのように多型を有効にしますか？

Cの仮想関数とは何ですか、そしてそれらはどのように多型を有効にしますか？

仮想機能と多型を理解する

Cでは、仮想関数は、 virtualキーワードを使用してクラス内で宣言されたメンバー関数です。彼らの主な目的は、異なるクラスのオブジェクトを均一な方法で扱うことができる強力なオブジェクト指向プログラミング（OOP）概念である多型を有効にすることです。これは、ランタイムディスパッチによって達成されます。

オブジェクトで仮想関数が呼び出される場合、実行する実際の関数はコンパイル時間（静的バインディング）で決定されません。代わりに、オブジェクトの動的タイプ（実行時のオブジェクトのタイプ）に基づいて、実行時（動的バインディング）で決定されます。これは、派生クラスオブジェクトを指す基本クラスのポインターがあり、ポインターが仮想関数を呼び出す場合、その関数の派生クラスのバージョンが実行されることを意味します。

例で説明しましょう：

 <code class="c  ">class Animal { public: virtual void makeSound() { // Virtual function std::cout makeSound(); // Output: Woof! (Runtime polymorphism) animal = new Cat(); animal->makeSound(); // Output: Meow! (Runtime polymorphism) delete animal; return 0; }</code>

この例では、 makeSound仮想関数です。 animal Animalポインターとして宣言されていますが、実際のオブジェクトタイプに応じて、実行時に正しいmakeSound機能（ DogまたはCatのいずれか）が呼び出されます。これは、仮想関数によって可能になった多型の本質です。 virtualキーワードがなければ、実際のオブジェクトタイプ（静的ディスパッチ）に関係なく、 AnimalのmakeSoundのバージョンは常に呼び出されます。

Cのオブジェクト指向プログラミングにとって仮想関数が重要なのはなぜですか？

OOPにおける仮想関数の重要性

仮想関数は、いくつかの重要なOOP原則を達成するために重要です。

• 多型：上記で説明したように、それらはランタイム多型の基礎であり、異なるクラスのオブジェクトを均一に処理できる柔軟で拡張可能なコードを書き込むことができます。これにより、オブジェクトタイプに基づいた広範な条件付きロジックの必要性が回避されます。
• 拡張性：既存のベースクラスコードを変更せずに、新しい派生クラスを簡単に追加できます。仮想関数メカニズムは、派生クラスの適切なオーバーライドされた関数への呼び出しを自動的に処理します。
• コードの再利用性：仮想関数派生クラスが関数全体を書き換える必要なく、基本クラスの機能を継承して拡張できるようにすることにより、コードの再利用性を促進します。彼らは行動の専門化を可能にします。
• 抽象化：仮想関数は、実装の詳細を隠すことで抽象化に貢献します。クライアントコードは、派生クラスの特定の実装の詳細を認識していないベースクラスインターフェイスと対話します。

仮想関数は、cの通常のメンバー関数とどのように異なりますか？

仮想対通常のメンバー関数

重要な違いは、それらがどのように拘束されるかにあります：

• 仮想関数：実行時にバインドされています（動的ディスパッチ）。適切な関数は、関数呼び出しの時点でのオブジェクトの動的タイプに基づいて決定されます。このランタイムバインディングを実現するには、仮想関数テーブル（vtable）が必要です。
• 通常のメンバー関数：コンパイル時間（静的ディスパッチ）でバインドされています。コンパイラは、オブジェクトの静的タイプ（コードで宣言されたタイプ）に基づいて呼び出す関数を決定します。 vtableは関与していません。

別の違いは、 virtualキーワードです。仮想関数は、ベースクラスのvirtualキーワードを使用して宣言されます。派生クラスは、 overrideキーワード（C 11以降）を使用してそれらをオーバーライドできます。通常のメンバー関数は、 virtualキーワードを使用しません。導出されたクラスで非仮想的な関数をオーバーライドすると、単に新しい個別の関数が作成されます。仮想関数が最優先する方法で、ベースクラスの関数を置き換えることはありません。

Cで仮想関数を使用することのパフォーマンスへの影響は何ですか？

仮想関数のパフォーマンスへの影響

仮想関数は、コードの柔軟性と保守性の点で大きな利点を提供しますが、パフォーマンスオーバーヘッドを導入します。

• VTABLEオーバーヘッド：仮想関数を持つ各クラスには、関数ポインターの表である関連するVTableがあります。これにより、少量のメモリオーバーヘッドが追加されます。
• 間接関数呼び出し：仮想関数の呼び出しには、Vtableを介した間接関数呼び出しが含まれます。この間接コールは、通常、通常のメンバー関数への直接関数呼び出しよりも遅くなります。コンパイラは、コンパイル時にどの関数が実行されるかわからないため、間接コールを最適化することはできません。

ただし、ほとんどのアプリケーションでは、パフォーマンスの影響は通常無視できます。単一の仮想関数呼び出しのオーバーヘッドは小さく、多型とコードの保守性の利点は、しばしばマイナーなパフォーマンスコストを上回ります。コードの非常にパフォーマンスが批判的なセクションでのみ、パフォーマンスの影響が重要になる可能性があります。また、最新のコンパイラは、仮想関数呼び出しのオーバーヘッドを最小限に抑えるために、さまざまな最適化手法を採用しています。実際のパフォーマンスボトルネックを実際のシナリオで特定するには、プロファイリングをお勧めします。仮想関数の使用のみに基づいた早期最適化はしばしば不要です。

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