深入理解 C++ 函数重载

在 C++ 中, 函数重载是一个非常强大的特性, 允许多个函数使用相同的名称, 但具有不同的参数类型. 重载解析决定了在给定的调用中, 编译器应选择哪个版本的重载函数. 本文将深入探讨 C++ 重载解析的工作原理, 帮助你在实际编程中更好地理解这一机制.

重载(Overload) vs 重写(Override)

多态(polymorphism)的定义

多态性是指一个实体能够表现为多种形式, 并存在两种或两种以上的可能性. 这种特性使得对象能够根据上下文以不同的方式运行.

1. 编译时多态性: 编译时多态性主要通过函数, 方法或构造函数的重载实现. 这种重载机制允许程序根据数据类型选择合适的函数调用, 从而实现灵活性和代码的可重用性.
2. 运行时多态性: 运行时多态性通过方法重写(Override)实现. 程序在运行时根据对象的实际类型调用正确的方法, 从而支持动态行为.

什么是函数重载?

重载是一种允许为具有不同签名(Signature)的多个声明分配相同名称的机制. 常见的有函数重载和运算符重载.

运算符重载

运算符重载允许为特定运算符定义多种操作. 运算符+ 可以用于添加两个数字或连接两个字符串. 这种重载通过重载解析过程得以实现.

int a = 1, b = 2;
std::string sa = "1", sb = "2";int c = a + b;             // 3
std::string sc = sa + sb;  // "12"

什么是方法重写

• 方法重写通常与继承一起使用. 当子类的方法与父类的方法具有相同名称时, 子类的方法将覆盖父类的方法. 例如在Animal和Dog类中都声明了voice的方法

  #include <iostream>
  class Animal {
  public:virtual void voice() = 0;
  };class Dog : public Animal {
  public:void voice() override { std::cout << "wang wang\n"; }
  };
  

• 需要注意, 方法重写与本文讨论的重载解析无关.

为什么需要重载解析

当一个函数调用在编译时包含多个候选函数时, 编译器需要通过重载解析机制来选择最匹配的版本. 重载解析不仅考虑函数的名称, 还需要匹配传递给函数的参数类型, 以确保调用的正确性.
这种机制避免了使用冗长的函数名称, 例如 funStr() 或 funInt(), 从而提高了代码的可读性和简洁性.

fun("mountain");
fun(17);

重载声明(Declaring Overloads)

重载适用于自由函数, 类(class)的方法和构造函数. 当这些方法满足如下条件时被称为重载:

• 具有完全相同的名称
• 从同一范围可见
• 具有一组不同的参数类型

需要注意的是声明的顺序没有影响.

代码样例

// 重载函数 1
void fun(int) {}// 重载函数 2
void fun(int, double) {}int main() {fun(42);        // 调用第一个重载fun(42, 3.14);  // 调用第二个重载
}

什么是重载解析(Overload Resolution)

重载解析是选择最合适重载的过程. 编译器在编译时决定调用哪个重载,

• 仅考虑(传递的)参数类型以及它们如何与(接收的)参数类型匹配, 从不考虑实际值
• 如果编译器无法选择一个特定的重载, 则函数调用被视为不明确(ambiguous), 导致编译失败

模板函数或方法参与重载解析过程, 如果两个重载被视为相等, 则非模板函数将始终优先于模板函数.

哪些情况不能重载

1. 两个函数仅在返回类型上有所不同. 由于使用返回值是可选的, 因此编译器将其视为定义同一函数两次.

   int add(int a, int b) {}
   double add(int a, int b) {}
   

2. 两个函数仅在其默认参数上有所不同. 默认值不会使函数签名不同.

   void fun(int a, int b = 10);
   void fun(int a, int b = 5);
   void fun(int a = 1, int b = 10);
   

3. 两个具有相同签名的方法, 其中一个被标记为"静态(static)"

   void fun() {}
   static void fun() {}
   

重载解析过程概述

重载解析由编译器计算, 在通常情况下, 此过程会导致调用预期的重载. 但是如果存在如下的情况就会变得很复杂, 并且如果编译器选择了错误的重载函数, 这对用户来说就比较难觉察到这一点.

• 数据类型转换可能很混乱
• 指针/引用数据类型可能无法按预期解析
• 模板函数可以以意想不到的方式推断参数

何时使用重载而不是使用模板

• 应该编写重载集还是单个模板?
• 当不同的类型需要不同的操作过程, 首选重载函数
  • 例如: std::string 的构造函数 (const char *), (std::string &&), (size_type, char) 等
• 当函数主体对所有数据类型执行相同的操作时, 模板是正确的选择.
  • 例如: 对于std::sort(data.begin(), data.end())来说, data可以是任何类型, 例如 int, double, std::string 等

重载解析开始前

• 编译器必须首先运行一个名为名称查找的过程
• 名称查找是查找当前范围内可见的每个函数声明的过程
  • 名称查找可能需要参数相关查找
  • 模板函数可能需要模板参数推导
• 可见函数声明的完整列表称为重载集

重载解析细节

• 第一步, 将整个重载集放入候选列表中
• 第二步, 删除所有无效候选, 根据 C++ 标准, 无效重载被称为"not viable"

什么因素导致候选函数不可行或无效

• 传递的参数数量与声明不匹配

  • 传递太多参数始终被视为无效
  • 传递较少参数无效, 除非函数声明中存在默认参数

  void doThing();                  // candidate A
  void doThing(int, bool = true);  // candidate B
  doThing(38);
  

• 传递参数的数据类型无法转换为与声明相匹配, 即使考虑隐式转换.

  void doThing();             // candidate A
  void doThing(int);          // candidate B
  void doThing(std::string);  // candidate C
  doThing(38);
  

查找最佳重载的过程

1. 创建候选列表
2. 删除无效重载
3. 对剩余候选进行排序
4. 如果候选列表中恰好有一个函数的排名高于所有其他函数, 则它将赢得重载解析过程
5. 如果最高排名并列, 则使用决胜局

#include <iostream>
#include <string>// candidate A
int lookUp(const std::string* key) { return 'A'; }// candidate B
int lookUp(std::string* key) { return 'B'; }int main() {std::string* str = new std::string("text");int value = lookUp(str);std::cout << value << std::endl; // 调用哪个?
}

答案:

str的类型为std::string*, 所以选择B

candidate B

测试题

#include <iostream>
// overload A1
void fun(char value) { std::cout << "A1" << std::endl; }// overload A2
void fun(long value) { std::cout << "A2" << std::endl; }int main() {fun(42);  // 调用哪个?
}

答案:

ambiguous (编译失败)

选择候选函数

决胜局是重载解析的最后一步, 用于确定哪个候选函数更匹配

• 当模板和非模板候选函数并列第一时, 将选择非模板函数
• 需要较少"步骤"的隐式转换比需要更多"步骤"的候选函数更匹配
• 如果没有最佳匹配或存在无法解析的平局, 则生成编译器错误

C++20 新增的决胜局

• C++20 引入了与模板一起使用的概念(Concepts), 用于对 T 添加约束, 从而限制允许的类型集
• 对模板施加约束不会改变模板在重载解析方面的含义
• 如果传递的参数满足多个重载模板的概念, 则选择约束更严格的模板
  • 此规则仅用作决胜局

测试题

#include <iostream>// overload B1
void fun(char value) { std::cout << "B1" << std::endl; }// overload B2
template <typename T>
void fun(T value) {std::cout << "B2" << std::endl;
}int main() {fun(42);  // 调用哪个?
}

答案

B2

当候选集没有最佳匹配时

如何解决模糊函数调用

• 添加或删除重载
• 将构造函数标记为显式以防止隐式转换
• 可以通过 SFINAE 消除模板函数, 无法实例化的模板函数将不会放置在候选集中
• 使用显式转换在调用之前转换参数, 比如static_cast<> 传递的参数
• 显式构造对象, 比如使用 std::string("some text") 而不是传递字符串文字

当没有最佳匹配时, 编译会生成错误消息 - “没有匹配的函数可供调用”, 并列出可能的候选者, 即使没有可行的候选者

void fun(char value) {}int main() { fun('x', nullptr); }

当最佳匹配不是您想要的

• 重载解析调试起来可能很复杂, 因为没有方法来询问编译器为什么选择特定的重载
• 如果编译器提供详细模式会很有帮助
• 通过故意将不明确的重载添加到候选列表中, 生成的错误消息可能有助于解释原因
• 尝试更改某些传递参数的数据类型

做一些测试

下面的测试有些存在ambiguous的情况.

Question 1

对比着看下面的两个例子. 思考一下答案.

#include <iostream>// overload C1
void fun(double, int, int) { std::cout << "C1" << std::endl; }// overload C2
void fun(int, double, double) { std::cout << "C2" << std::endl; }int main() {fun(4, 5, 6);  // 调用哪个?
}

#include <iostream>
// overload D1
void fun(int, int, double) { std::cout << "D1" << std::endl; }// overload D2
void fun(int, double, double) { std::cout << "D2" << std::endl; }int main() {fun(4, 5, 6);  // 调用哪个?
}

答案:

C1/C2 ambiguous(编译错误)
D1

为什么会是这种情况? 从参数匹配上来讲, 1的情况是有两个参数类型 int 匹配, 2只有一个参数类型匹配, 似乎是应该选C1和 D1, 但是实际情况则并非如此.
在对候选项进行排序的时候, 编译器会这样做

• C的情况:
  • 检查参数4: C1不匹配, C2匹配, C2 胜一局, 此时排序为 [C2, C1]
  • 检查参数5: C1匹配, C2不匹配, C1 胜一局, 此时造成排序顺序不确定, 产生ambiguous
• D的情况:
  • 检查参数4: 两个都匹配, 并列第一,
  • 检查参数5: D1匹配, D2不匹配, 排序为[D1, D2]
  • 检查参数6: 均不匹配, 排序不变.
  • 没有更多的参数了, 当前排序为[D1, D2], 所以D1获胜, 被选择.

Question 3

#include <iostream>
// overload E1
void fun(int &) { std::cout << "E1" << std::endl; }// overload E2
void fun(int) { std::cout << "E2" << std::endl; }int main() {int x = 42;fun(x);  // 调用哪个?
}

答案:

ambiguous(编译错误)

Question 4

#include <iostream>
// overload F1
void fun(int &) { std::cout << "F1" << std::endl; }// overload F2
void fun(int) { std::cout << "F2" << std::endl; }int main() {fun(42);  // 调用哪个?
}

答案:

F2

Question 5

#include <iostream>
// overload G1
void fun(int &) { std::cout << "G1" << std::endl; }// overload G2
void fun(int &&) { std::cout << "G2" << std::endl; }int main() {int x = 42;fun(x);  // 调用哪个?
}

答案:

G1

Question 6

#include <iostream>
// overload H1
void fun(int &) { std::cout << "H1" << std::endl; }// overload H2
void fun(int &&) { std::cout << "H2" << std::endl; }int main() {fun(42);  // 调用哪个?
}

答案:

H2

总结

重载解析是 C++ 中一个非常强大但复杂的特性. 理解重载解析的细节, 尤其是在处理模棱两可的错误时, 将帮助你写出更高效, 可维护的代码. 在实际编程中, 尽量避免模板和非模板函数的重载冲突, 使用显式转换来消除模糊匹配的情况.

参考链接

• Back To Basics: Overload Resolution - CppCon 2021