仮想関数

C++やObject Pascalでよく使用されるオブジェクト指向プログラミングでは、仮想関数または仮想メソッドは、動的にディスパッチされる継承およびオーバーライド可能な関数またはメソッドです。仮想関数は、オブジェクト指向プログラミング(OOP)における(実行時)ポリモーフィズムの重要な部分です。仮想関数を使用すると、コンパイル時に正確に識別されなかったターゲット関数を実行できます。

JavaScript、PHP、Pythonなどのほとんどのプログラミング言語は、デフォルトですべてのメソッドを仮想メソッドとして扱い^{[1] [2]}、この動作を変更する修飾子は提供していません。ただし、一部の言語では、派生クラスによってメソッドがオーバーライドされるのを防ぐ修飾子を提供しています（Java ^[3]やPHP ^[4]のfinalキーワードやprivateキーワードなど）。

仮想関数の概念は次の問題を解決します。

オブジェクト指向プログラミングでは、派生クラスが基本クラスから継承する場合、派生クラスのオブジェクトは、派生クラスの型ではなく、基本クラスの型のポインタまたは参照を介して参照されることがあります。派生クラスによってオーバーライドされる基本クラスのメソッドがある場合、そのような参照またはポインタによって実際に呼び出されるメソッドは、ポインタまたは参照の宣言された型に応じて「早期に」(コンパイラによって)、または参照されるオブジェクトの実際の型に応じて「遅く」(つまり、言語のランタイム システムによって) バインド (リンク) される可能性があります。

仮想関数は「遅れて」解決されます。問題の関数が基本クラスで「仮想」である場合、ポインタまたは参照の宣言された型に関係なく、参照されるオブジェクトの実際の型に従って、関数の最派生クラスの実装が呼び出されます。「仮想」でない場合、メソッドは「早期に」解決され、ポインタまたは参照の宣言された型に従って選択されます。

仮想関数を使用すると、プログラムが、コードがコンパイルされた時点では必ずしも存在しないメソッドを呼び出すことができます。^{[引用が必要]}

C++ では、仮想メソッドは、基本クラスの関数の宣言の前にキーワードを追加することで宣言されますvirtual。この修飾子は派生クラスにおけるそのメソッドのすべての実装に継承されるため、引き続き相互にオーバーライドして遅延バインディングすることができます。また、基本クラスが所有するメソッドが仮想メソッドを呼び出す場合でも、代わりに派生メソッドが呼び出されます。オーバーロードは、1 つのクラス内の 2 つ以上のメソッドが同じメソッド名を持ち、パラメータが異なる場合に発生します。オーバーライドとは、同じメソッド名とパラメータを持つ 2 つのメソッドを持つことを意味します。オーバーロードは関数マッチングとも呼ばれ、オーバーライドは動的関数マッピングとも呼ばれます。

たとえば、基本クラスにはAnimal仮想関数 がある場合がありますEat。サブクラスはサブクラスとは異なる方法でLlama実装されますが、Animal と呼ばれる任意のクラス インスタンスで呼び出して、特定のサブクラスの動作を取得できます。 EatWolfEatEat

class Animal { public : // 意図的に仮想ではありません: void Move () { std :: cout << "This animal moves in some way" << std :: endl ; } virtual void Eat () = 0 ; };  
 
  
    
        
  
      



// 必要に応じて、クラス「Animal」に Eat の定義を含めることができます。class Llama : public Animal { public : // 非仮想関数 Move は継承されますが、オーバーライドされません。void Eat () override { std :: cout << " Llamas eat grass!" << std :: endl ; } };     
 
  
     
        
  

これにより、プログラマーは、リストにAnimalどのような動物が含まれているか、各動物がどのように食べるか、または可能性のある動物の種類の完全なセットが何であるかを知らなくても、クラスのオブジェクトのリストを処理し、（ を呼び出してEat）各オブジェクトに順番に食べるように指示することができます。

C では、仮想関数の背後にあるメカニズムは次のように提供できます。

#include <stdio.h> 

/* オブジェクトはそのクラスを指します... */ 
struct Animal { const struct AnimalVTable * vtable ; };  
       


/* 仮想関数 Animal.Eat が含まれています */ 
struct AnimalVTable { void ( * Eat )( struct Animal * self ); // '仮想' 関数};  
        


/* 
   Animal.Move は仮想関数ではないため、
   上記の構造には存在しません。
*/ 
void Move ( const struct Animal * self ) { printf ( "<Animal at %p> moved in some way \n " , ( void * )( self )); }     
       


/* 
   Animal.Move を直接実行する Move とは異なり、
   Eat はコンパイル時にどの関数 (存在する場合) を呼び出すかを知ることができません。Animal.Eat
   は Eat が呼び出される実行時にのみ解決できます。
*/ 
void Eat ( struct Animal * self ) { const struct AnimalVTable * vtable = * ( const void ** )( self ); if ( vtable -> Eat != NULL ) { ( * vtable -> Eat )( self ); // Animal.Eat を実行} else { fprintf ( stderr , "'Eat' 仮想メソッドが実装されていません\n " ); } }    
            
         
         
      
         
    


/* Llama.Eat の実装。これは
   'void Eat(struct Animal *self)' によって呼び出される   ターゲット関数です。 
*/ static void _Llama_eat ( struct Animal * self ) { printf ( "<Llama at %p> Llama's eat grass! \n " , ( void * )( self )); }

     
           


/* クラスの初期化 */ 
const struct AnimalVTable Animal = { NULL }; // 基本クラスは Animal.Eat を実装していませんconst struct AnimalVTable Llama = { _Llama_eat }; // ただし派生クラスは実装しています        
         

int main ( void ) { /* オブジェクトをそのクラスのインスタンスとして初期化します */ struct Animal animal = { & Animal }; struct Animal llama = { & Llama }; Move ( & animal ); // Animal.Move Move ( & llama ); // Llama.Move Eat ( & animal ); // Animal.Eat を解決できないので、stderr に "Not Implemented" と出力しますEat ( & llama ); // Llama.Eat を解決して実行します}  
   
         
         
    
     
     
      

純粋仮想関数または純粋仮想メソッドは、派生クラスがabstractでない場合、派生クラスによって実装される必要がある仮想関数です。純粋仮想メソッドを含むクラスは「抽象」と呼ばれ、直接インスタンス化することはできません。抽象クラスのサブクラスは、継承されたすべての純粋仮想メソッドがそのクラスまたは親クラスによって実装されている場合にのみ、直接インスタンス化できます。純粋仮想メソッドには通常、宣言 (シグネチャ)があり、定義 (実装) はありません。

たとえば、抽象基本クラスはMathSymbol純粋仮想関数 を提供しdoOperation()、派生クラスPlusと は具体的な実装を提供するために をMinus実装する場合があります。 を実装することは、の特定の種類 (サブクラス) ごとに動作が定義されている抽象概念と同様に、 クラスでは意味がありません。同様に、 の特定のサブクラスは、 の実装がなければ完全ではありません 。 doOperation()doOperation()MathSymbolMathSymbolMathSymbolMathSymboldoOperation()

純粋仮想メソッドは通常、それを宣言するクラス内に実装がありませんが、一部の言語（C++やPythonなど）の純粋仮想メソッドは、宣言クラス内に実装を含めることが許可されており、適切な場合には派生クラスが委任できるフォールバックまたはデフォルトの動作を提供します。^{[5] [6]}

純粋仮想関数は、メソッド宣言を使用してインターフェースを定義する場合にも使用できます。これは、Java の interface キーワードが明示的に指定するものに似ています。このような使用方法では、派生クラスがすべての実装を提供します。このような設計パターンでは、インターフェースとして機能する抽象クラスには純粋仮想関数のみが含まれ、データ メンバーや通常のメソッドは含まれません。C++ では多重継承がサポートされているため、このような純粋に抽象化されたクラスをインターフェースとして使用できます。ただし、多くの OOP 言語は多重継承をサポートしていないため、多くの場合、別のインターフェース メカニズムが提供されます。例として、Java プログラミング言語があります。

オブジェクトのコンストラクターまたはデストラクタの実行中の動作は言語によって異なります。このため、コンストラクターで仮想関数を呼び出すことは一般的に推奨されません。

C++では、「基本」関数が呼び出されます。具体的には、現在のコンストラクタまたはデストラクタのクラスよりも派生していない最も派生した関数が呼び出されます。^{[7] : §15.7.3  [8] [9]}その関数が純粋仮想関数の場合、未定義の動作が発生します。^{[7] : §13.4.6  [8]}クラスにその純粋仮想関数の実装が含まれている場合でも、純粋仮想関数の呼び出しは明示的に修飾する必要があるため、これは当てはまります。^{[10]準拠したC++実装では、}コンパイル時またはリンク時に純粋仮想関数への間接呼び出しを検出する必要はなく、通常は検出できません。一部のランタイムシステムは、実行時に純粋仮想関数の呼び出しに遭遇すると、純粋仮想関数呼び出しエラーを発行します。

JavaとC#では、派生実装が呼び出されますが、一部のフィールドは派生コンストラクターによってまだ初期化されていません（ただし、デフォルトのゼロ値に初期化されます）。^[11]抽象ファクトリーパターンなどの一部のデザインパターンでは、この機能をサポートする言語でこの使用法を積極的に推進しています。

オブジェクト指向言語は、通常、オブジェクトが作成および破棄されるときに、メモリの割り当てと解放を自動的に管理します。ただし、一部のオブジェクト指向言語では、必要に応じてカスタム デストラクタ メソッドを実装できます。問題の言語が自動メモリ管理を使用する場合、呼び出されるカスタム デストラクタ (このコンテキストでは一般にファイナライザと呼ばれます) は、問題のオブジェクトに適したものになります。たとえば、Animal を継承する Wolf 型のオブジェクトが作成され、両方にカスタム デストラクタがある場合、呼び出されるデストラクタは Wolf で宣言されたものになります。

手動メモリ管理のコンテキストでは、特に静的ディスパッチに関連して、状況はより複雑になる可能性があります。 Wolf 型のオブジェクトが作成され、それが Animal ポインターによってポイントされ、この Animal ポインター型が削除される場合、呼び出されるデストラクタは、デストラクタが仮想でない限り、実際には Wolf のものではなく Animal 用に定義されたものになる可能性があります。これは特に C++ の場合に当てはまり、デストラクタが仮想でない場合、この動作はプログラミング エラーの一般的な原因になります。

• 抽象メソッド
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• 仮想メソッドテーブル