純粋仮想関数は定義を持てる

GitHubで公開しているC++参考書に、以下のようなpull requestが送られてきた。

Pure virtual function by daisukekoba · Pull Request #153 · EzoeRyou/cpp-book

純粋virtual関数は、宣言を分ければ、定義も持てるそうだ。実際にまともなC++コンパイラーでコンパイルしてみると、たしかにその通りだ。

どうやら、私の規格の文面の解釈が間違っていたらしい。

C++の規格に曰く、

10.4 paragraph 2

A function declaration cannot provide both a pure-specifier and a definition.

ひとつの関数宣言はpure指定子と定義の両方を提供することができない。

これを読むと、以下のコードがエラーになることがわかる。

struct S
{
// エラー、pure-specifierと定義を両方持つ
    virtual void f() = 0 { }
} ;

しかし、私は「ひとつの」という部分を見落としていた。つまり、複数の関数宣言を使えば、両方とも持てるのだ。

struct S
{
// pure-specifier
    virtual void f() = 0 ;
} ;

// 定義
void S::f() { } 

規格の文面を正しく解釈すると、このコードは正しいはずで、実際に、既存のC++コンパイラーはこのコードを通す。

これをなぜかと考えると、abstract classでも、デストラクターは定義したいという利用例がある。

class Base
{
    int * ptr ;
public :
    Base() : ptr( new int(0) ) { }

// コピーとムーブの特別なメンバーの宣言など

    virtual ~Base() = 0 ;
} ;

Base::~Base()
{
    delete ptr ;
}

class Derived : public Base
{
    virtual ~Derived() { }
} ;

なるほど、もちろん、このように書きたい。すると、pure virtual functionかつ定義をもつというデストラクターは、至極当然のように思われる。デストラクターに許されているのだから、一貫性を保つために、普通の非staticメンバー関数でも、当然許されるべきだ。

しかし、このことについて色々と試していた結果、以下のようなコードが書き上がってしまった。

struct Base
{
    virtual void f() = 0 ;
    virtual ~Base() = 0 ;
} ;

void Base::f() { }

Base::~Base()
{
// Derivedはすでに破棄されている
// デストラクター呼び出しは警告、実行時abort、ともになし。

// GCC, Clang、ともにコンパイル時警告
// GCCでは問題なく実行可能
// Clangでは実行時に純粋仮想関数呼び出しエラーで意図的にabort
    f() ; // Base::fを呼ぶ
}

struct Derived : Base
{
    virtual void f() { }
    virtual ~Derived() { }
} ;

int main()
{
    Derived d ;
}

なんと、GCCとClangでは挙動が違っているではないか。しかも、GCCでは問題なく実行できるのに対し、Clangでは実行時エラーとしてabortするという、実行時にまで影響を呼ぼす差異だ。これはどちらかのコンパイラーが間違っているのではないか。しかし、どちらの挙動が正しいのか。

私の当初の間違った考えでは、デストラクターも純粋仮想関数かつ定義をもつのに、警告も実行時abortもないため、どうも一貫性にかける。これは、コンパイラーがおかしいのではないか、とくに、Clangがおかしいのではないかと考えた。

久しぶりに、よくよく考えてもわからない問題だったので、私よりもっとできる人に聞いてみた。つまり、C++WGのMLにメールを投げた。すると、私の考えは全く持って見当違いだったことが明らかになった。

12.7で規定されているように、ポリモーフィックなオブジェクトの構築時、破棄時は、あたかもそのオブジェクトが最終的なオーバーライダーであるかのように振る舞う。Baseのデストラクター内で呼ばれている未修飾名fが、Base::fを呼ぶのはそのためだ。しかし問題は、未修飾名で呼び出すので仮想関数呼び出しになるということだ。仮想関数呼び出しで純粋仮想関数が呼び出された場合、挙動は未定義である。たとえ定義があろうとも、Base::fは純粋仮想関数であることに変わりはない。純粋仮想関数である以上、仮想関数呼び出しで呼び出された場合、挙動は未定義となる。未定義である以上、何が起きても文句は言えない。

そのため、この場合にBase::fを呼び出したい場合は、修飾名で呼び出して、仮想関数呼び出しを避けなければならない。

Base::~Base()
{
    Base::f() ; // OK
}

しかし、デストラクターはどうなのだ。なぜデストラクターにはコンパイル時警告も実行時エラーもないのだ。それはなぜかというと、デストラクター呼び出しは、たとえ仮想関数であっても、派生クラスから明示的に基本クラスのデストラクターが呼び出されたかのように振る舞うのだ。だから、仮想関数呼び出しではない。仮想関数呼び出しではない以上、問題はない。

したがって、GCCとClangの挙動は、どちらとも正しい。規格上未定義なのだから、何が起きても文句は言えない。ただし、GCCはコンパイル時に警告を出しているので、かろうじて問題がわかる程度だが、Clangは実行時にabortを出しているので、とても親切である。だからといって、GCCが規格違反の実装というわけではない。

ああ、まだまだ未熟だ。