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C++ 虛函數經典深入解析

C++中的虛函數的作用主要是實現了多態的機制。關於多態,簡而言之就是用父類型別的指針指向其子類的實例,然後通過父類的指針調用實際子類的成員函數。這種技術可以讓父類的指針有“多種形態”,這是一種泛型技術。所謂泛型技術,說白了就是試圖使用不變的代碼來實現可變的算法。比如:模板技術,RTTI技術,虛函數技術,要麼是試圖做到在編譯時決議,要麼試圖做到運行時決議。

關於虛函數的使用方法,我在這裡不做過多的闡述。大家可以看看相關的C++的書籍。在這篇文章中,我只想從虛函數的實現機制上面為大家 一個清晰的剖析。

當然,相同的文章在網上也出現過一些了,但我總感覺這些文章不是很容易閱讀,大段大段的代碼,沒有圖片,沒有詳細的說明,沒有比較,沒有舉一反三。不利於學習和閱讀,所以這是我想寫下這篇文章的原因。也希望大家多給我提意見。

言歸正傳,讓我們一起進入虛函數的世界。

虛函數表

對C++ 了解的人都應該知道虛函數(Virtual Function)是通過一張虛函數表(Virtual Table)來實現的。簡稱為V-Table。 在這個表中,主是要一個類的虛函數的地址表,這張表解決了繼承、覆蓋的問題,保證其容真實反應實際的函數。這樣,在有虛函數的類的實例中這個表被分配在了 這個實例的內存中,所以,當我們用父類的指針來操作一個子類的時候,這張虛函數表就顯得由為重要了,它就像一個地圖一樣,指明了實際所應該調用的函數。

這裡我們著重看一下這張虛函數表。在C++的標准規格說明書中說到,編譯器必需要保證虛函數表的指針存在於對象實例中最前面的位置(這是為了保證正確取到虛函數的偏移量)。 這意味著我們通過對象實例的地址得到這張虛函數表,然後就可以遍歷其中函數指針,並調用相應的函數。

聽我扯了那麼多,我可以感覺出來你現在可能比以前更加暈頭轉向了。 沒關系,下面就是實際的例子,相信聰明的你一看就明白了。

假設我們有這樣的一個類:

class Base {

public:

virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }

virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }

virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }

};

按照上面的說法,我們可以通過Base的實例來得到虛函數表。 下面是實際例程:

typedef void(*Fun)(void);

Base b;

Fun pFun = NULL;

cout << "虛函數表地址:" << (int*)(&b) << endl;

cout << "虛函數表 — 第一個函數地址:" << (int*)*(int*)(&b) << endl;

 

/*這裡的一點爭議的個人看法*/

原文認為(int*)(&b)是虛表的地址,而很多網友都說,(包括我也認為):(int *)*(int*)(&b)才是虛表地址

而(int*)*((int*)*(int*)(&b)); 才是虛表第一個虛函數的地址。

其實看後面的調用pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b)); 就可以看出,*((int*)*(int*)(&b));轉成函數指針給pFun,然後正確的調用到了虛函數virtual void f()。

 

 

// Invoke the first virtual function

pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));

pFun();

實際運行經果如下:(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)

虛函數表地址:0012FED4

虛函數表 — 第一個函數地址:0044F148

Base::f

通過這個示例,我們可以看到,我們可以通過強行把&b轉成int *,取得虛函數表的地址,然後,再次取址就可以得到第一個虛函數的地址了,也就是Base::f(),這在上面的程序中得到了驗證(把int* 強制轉成了函數指針)。通過這個示例,我們就可以知道如果要調用Base::g()和Base::h(),其代碼如下:

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::f()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base::g()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h()

這個時候你應該懂了吧。什麼?還是有點暈。也是,這樣的代碼看著太亂了。沒問題,讓我畫個圖解釋一下。如下所示:

 

注意:在上面這個圖中,我在虛函數表的最後多加了一個結點,這是虛函數表的結束結點,就像字符串的結束符“/0”一樣,其標志了虛函數表的結束。這個結束標志的值在不同的編譯器下是不同的。在WinXP+VS2003下,這個值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下,這個值是如果1,表示還有下一個虛函數表,如果值是0,表示是最後一個虛函數表。

下面,我將分別說明“無覆蓋”和“有覆蓋”時的虛函數表的樣子。沒有覆蓋父類的虛函數是毫無意義的。我之所以要講述沒有覆蓋的情況,主要目的是為了給一個對比。在比較之下,我們可以更加清楚地知道其內部的具體實現。

一般繼承(無虛函數覆蓋)

下面,再讓我們來看看繼承時的虛函數表是什麼樣的。假設有如下所示的一個繼承關系:

請注意,在這個繼承關系中,子類沒有重載任何父類的函數。那麼,在派生類的實例中,其虛函數表如下所示:

對於實例:Derive d; 的虛函數表如下:

我們可以看到下面幾點:

1)虛函數按照其聲明順序放於表中。

2)父類的虛函數在子類的虛函數前面。

我相信聰明的你一定可以參考前面的那個程序,來編寫一段程序來驗證。

一般繼承(有虛函數覆蓋)

覆蓋父類的虛函數是很顯然的事情,不然,虛函數就變得毫無意義。下面,我們來看一下,如果子類中有虛函數重載了父類的虛函數,會是一個什麼樣子?假設,我們有下面這樣的一個繼承關系。

為了讓大家看到被繼承過後的效果,在這個類的設計中,我只覆蓋了父類的一個函數:f()。那麼,對於派生類的實例,其虛函數表會是下面的一個樣子:

我們從表中可以看到下面幾點,

1)覆蓋的f()函數被放到了虛表中原來父類虛函數的位置。

2)沒有被覆蓋的函數依舊。

這樣,我們就可以看到對於下面這樣的程序,

Base *b = new Derive();

b->f();

由b所指的內存中的虛函數表的f()的位置已經被Derive::f()函數地址所取代,於是在實際調用發生時,是Derive::f()被調用了。這就實現了多態。

多重繼承(無虛函數覆蓋)

下面,再讓我們來看看多重繼承中的情況,假設有下面這樣一個類的繼承關系。注意:子類並沒有覆蓋父類的函數。

對於子類實例中的虛函數表,是下面這個樣子:

我們可以看到:

1) 每個父類都有自己的虛表。

2) 子類的成員函數被放到了第一個父類的表中。(所謂的第一個父類是按照聲明順序來判斷的)

這樣做就是為了解決不同的父類類型的指針指向同一個子類實例,而能夠調用到實際的函數。

多重繼承(有虛函數覆蓋)

下面我們再來看看,如果發生虛函數覆蓋的情況。

下圖中,我們在子類中覆蓋了父類的f()函數。

下面是對於子類實例中的虛函數表的圖:

我們可以看見,三個父類虛函數表中的f()的位置被替換成了子類的函數指針。這樣,我們就可以任一靜態類型的父類來指向子類,並調用子類的f()了。如:

Derive d;

Base1 *b1 = &d;

Base2 *b2 = &d;

Base3 *b3 = &d;

b1->f(); //Derive::f()

b2->f(); //Derive::f()

b3->f(); //Derive::f()

b1->g(); //Base1::g()

b2->g(); //Base2::g()

b3->g(); //Base3::g()

安全性

每次寫C++的文章,總免不了要批判一下C++。這篇文章也不例外。通過上面的講述,相信我們對虛函數表有一個比較細致的了解了。水可載舟,亦可覆舟。 

 

更多詳情見請繼續閱讀下一頁的精彩內容: http://www.linuxidc.com/Linux/2015-07/119662p2.htm

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