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解释:C++虚函数

原作者: [db:作者] 来自: [db:来源] 收藏 邀请

 

一, 什么是虚函数(如果不知道虚函数为何物,但有急切的想知道,那你就应该从这里开始)
  简单地说,那些被virtual关键字修饰的成员函数,就是虚函数。虚函数的作用,用专业术语来解释就是实现多态性(Polymorphism),多态性是将接口与实现进行分离;用形象的语言来解释就是实现以共同的方法,但因个体差异而采用不同的策略。下面来看一段简单的代码
  class A{
  public:
  void print(){ cout<<”This is A”<<endl;}
  };
  class B:public A{
  public:
  void print(){ cout<<”This is B”<<endl;}
  };
  int main(){ //为了在以后便于区分,我这段main()代码叫做main1
  A a;
  B b;
  a.print();
  b.print();
  }
  通过class A和class B的print()这个接口,可以看出这两个class因个体的差异而采用了不同的策略,输出的结果也是我们预料中的,分别是This is A和This is B。但这是否真正做到了多态性呢?No,多态还有个关键之处就是一切用指向基类的指针或引用来操作对象。那现在就把main()处的代码改一改。
  int main(){ //main2
  A a;
  B b;
  A* p1=&a;
  A* p2=&b;
  p1->print();
  p2->print();
  }
  运行一下看看结果,哟呵,蓦然回首,结果却是两个This is A。问题来了,p2明明指向的是class B的对象但却是调用的class A的print()函数,这不是我们所期望的结果,那么解决这个问题就需要用到虚函数
  class A{
  public:
  virtual void print(){ cout<<”This is A”<<endl;} //现在成了虚函数了
  };
  class B:public A{
  public:
  void print(){ cout<<”This is B”<<endl;} //这里需要在前面加上关键字virtual吗?
  };
  毫无疑问,class A的成员函数print()已经成了虚函数,那么class B的print()成了虚函数了吗?回答是Yes,我们只需在把基类的成员函数设为virtual,其派生类的相应的函数也会自动变为虚函数。所以,class B的print()也成了虚函数。那么对于在派生类的相应函数前是否需要用virtual关键字修饰,那就是你自己的问题了。
  现在重新运行main2的代码,这样输出的结果就是This is A和This is B了。
  现在来消化一下,我作个简单的总结,指向基类的指针在操作它的多态类对象时,会根据不同的类对象,调用其相应的函数,这个函数就是虚函数。
  二, 虚函数是如何做到的(如果你没有看过《Inside The C++ Object Model》这本书,但又急切想知道,那你就应该从这里开始)
  虚函数是如何做到因对象的不同而调用其相应的函数的呢?现在我们就来剖析虚函数。我们先定义两个类
  class A{ //虚函数示例代码
  public:
  virtual void fun(){cout<<1<<endl;}
  virtual void fun2(){cout<<2<<endl;}
  };
  class B:public A{
  public:
  void fun(){cout<<3<<endl;}
  void fun2(){cout<<4<<endl;}
  };
  由于这两个类中有虚函数存在,所以编译器就会为他们两个分别插入一段你不知道的数据,并为他们分别创建一个表。那段数据叫做vptr指针,指向那个表。那个表叫做vtbl,每个类都有自己的vtbl,vtbl的作用就是保存自己类中虚函数的地址,我们可以把vtbl形象地看成一个数组,这个数组的每个元素存放的就是虚函数的地址,请看图
  通过左图,可以看到这两个vtbl分别为class A和class B服务。现在有了这个模型之后,我们来分析下面的代码
  A *p=new A;
  p->fun();
  毫无疑问,调用了A::fun(),但是A::fun()是如何被调用的呢?它像普通函数那样直接跳转到函数的代码处吗?No,其实是这样的,首先是取出vptr的值,这个值就是vtbl的地址,再根据这个值来到vtbl这里,由于调用的函数A::fun()是第一个虚函数,所以取出vtbl第一个slot里的值,这个值就是A::fun()的地址了,最后调用这个函数。现在我们可以看出来了,只要vptr不同,指向的vtbl就不同,而不同的vtbl里装着对应类的虚函数地址,所以这样虚函数就可以完成它的任务。
  而对于class A和class B来说,他们的vptr指针存放在何处呢?其实这个指针就放在他们各自的实例对象里。由于class A和class B都没有数据成员,所以他们的实例对象里就只有一个vptr指针。通过上面的分析,现在我们来实作一段代码,来描述这个带有虚函数的类的简单模型。
  #include<iostream>
  using namespace std;
  //将上面“虚函数示例代码”添加在这里
  int main(){
  void (*fun)(A*);
  A *p=new B;
  long lVptrAddr;
  memcpy(&lVptrAddr,p,4);
  memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4);
  fun(p);
  delete p;
  }
  用VC或Dev-C++编译运行一下,看看结果是不是输出3,如果不是,那么太阳明天肯定是从西边出来。现在一步一步开始分析
  void (*fun)(A*); 这段定义了一个函数指针名字叫做fun,而且有一个A*类型的参数,这个函数指针待会儿用来保存从vtbl里取出的函数地址
  A* p=new B; new B是向内存(内存分5个区:全局名字空间,自由存储区,寄存器,代码空间,栈)自由存储区申请一个内存单元的地址然后隐式地保存在一个指针中.然后把这个地址附值给A类型的指针P.
  .
  long lVptrAddr; 这个long类型的变量待会儿用来保存vptr的值
  memcpy(&lVptrAddr,p,4); 前面说了,他们的实例对象里只有vptr指针,所以我们就放心大胆地把p所指的4bytes内存里的东西复制到lVptrAddr中,所以复制出来的4bytes内容就是vptr的值,即vtbl的地址
  现在有了vtbl的地址了,那么我们现在就取出vtbl第一个slot里的内容
  memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4); 取出vtbl第一个slot里的内容,并存放在函数指针fun里。需要注意的是lVptrAddr里面是vtbl的地址,但lVptrAddr不是指针,所以我们要把它先转变成指针类型
  fun(p); 这里就调用了刚才取出的函数地址里的函数,也就是调用了B::fun()这个函数,也许你发现了为什么会有参数p,其实类成员函数调用时,会有个this指针,这个p就是那个this指针,只是在一般的调用中编译器自动帮你处理了而已,而在这里则需要自己处理。
  delete p; 释放由p指向的自由空间;
  如果调用B::fun2()怎么办?那就取出vtbl的第二个slot里的值就行了
  memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr+4),4); 为什么是加4呢?因为一个指针的长度是4bytes,所以加4。或者memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr)+1,4); 这更符合数组的用法,因为lVptrAddr被转成了long*型别,所以+1就是往后移sizeof(long)的长度
  三, 以一段代码开始
  #include<iostream>
  using namespace std;
  class A{ //虚函数示例代码2
  public:
  };
  class B:public A{
  public:
  }; //end//虚函数示例代码2
  int main(){
  void (A::*fun)(); //定义一个函数指针
  A *p=new B;
  fun=&A::fun;
  (p->*fun)();
  fun = &A::fun2;
  (p->*fun)();
  delete p;
  }
  你能估算出输出结果吗?如果你估算出的结果是A::fun和A::fun2,呵呵,恭喜恭喜,你中圈套了。其实真正的结果是B::fun和B::fun2,如果你想不通就接着往下看。给个提示,&A::fun和&A::fun2是真正获得了虚函数的地址吗?
  首先我们回到第二部分,通过段实作代码,得到一个“通用”的获得虚函数地址的方法
  #include<iostream>
  using namespace std;
  //将上面“虚函数示例代码2”添加在这里
  void CallVirtualFun(void* pThis,int index=0){
  void (*funptr)(void*);
  long lVptrAddr;
  memcpy(&lVptrAddr,pThis,4);
  memcpy(&funptr,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr)+index,4);
  funptr(pThis); //调用
  }
  int main(){
  A* p=new B;
  CallVirtualFun(p); //调用虚函数p->fun()
  CallVirtualFun(p,1);//调用虚函数p->fun2()
  }
  现在我们拥有一个“通用”的CallVirtualFun方法。
  这个通用方法和第三部分开始处的代码有何联系呢?联系很大。由于A::fun()和A::fun2()是虚函数,所以&A::fun和&A::fun2获得的不是函数的地址,而是一段间接获得虚函数地址的一段代码的地址,我们形象地把这段代码看作那段CallVirtualFun。编译器在编译时,会提供类似于CallVirtualFun这样的代码,当你调用虚函数时,其实就是先调用的那段类似CallVirtualFun的代码,通过这段代码,获得虚函数地址后,最后调用虚函数,这样就真正保证了多态性。同时大家都说虚函数的效率低,其原因就是,在调用虚函数之前,还调用了获得虚函数地址的代码。

 

一, 什么是虚函数(如果不知道虚函数为何物,但有急切的想知道,那你就应该从这里开始)

  简单地说,那些被virtual关键字修饰的成员函数,就是虚函数。虚函数的作用,用专业术语来解释就是实现多态性(Polymorphism),多态性是将接口与实现进行分离;用形象的语言来解释就是实现以共同的方法,但因个体差异而采用不同的策略。下面来看一段简单的代码:

 

class A{

  public:

  void print(){ cout<<”This is A”<<endl;}

  };

  class B:public A{

  public:

  void print(){ cout<<”This is B”<<endl;}

  };

  int main(){ //为了在以后便于区分,我这段main()代码叫做main1

  A a;

  B b;

  a.print();

  b.print();

  }

  通过class A和class B的print()这个接口,可以看出这两个class因个体的差异而采用了不同的策略,输出的结果也是我们预料中的,分别是This is A和This is B。但这是否真正做到了多态性呢?No,多态还有个关键之处就是一切用指向基类的指针或引用来操作对象。那现在就把main()处的代码改一改。

  int main(){ //main2

  A a;

  B b;

  A* p1=&a;

  A* p2=&b;

  p1->print();

  p2->print();

  }

 

运行一下看看结果,哟呵,蓦然回首,结果却是两个This is A。问题来了,p2明明指向的是class B的对象但却是调用的class A的print()函数,这不是我们所期望的结果,那么解决这个问题就需要用到虚函数

  class A{

  public:

  virtual void print(){ cout<<”This is A”<<endl;} //现在成了虚函数了

  };

  class B:public A{

  public:

  void print(){ cout<<”This is B”<<endl;} //这里需要在前面加上关键字virtual吗?

  };

  毫无疑问,class A的成员函数print()已经成了虚函数,那么class B的print()成了虚函数了吗?回答是Yes,我们只需在把基类的成员函数设为virtual,其派生类的相应的函数也会自动变为虚函数。所以,class B的print()也成了虚函数。那么对于在派生类的相应函数前是否需要用virtual关键字修饰,那就是你自己的问题了。

  现在重新运行main2的代码,这样输出的结果就是This is A和This is B了。

  现在来消化一下,我作个简单的总结,指向基类的指针在操作它的多态类对象时,会根据不同的类对象,调用其相应的函数,这个函数就是虚函数。

 

二, 虚函数是如何做到的(如果你没有看过《Inside The C++ Object Model》这本书,但又急切想知道,那你就应该从这里开始)

  虚函数是如何做到因对象的不同而调用其相应的函数的呢?现在我们就来剖析虚函数。我们先定义两个类

  class A{ //虚函数示例代码

  public:

  virtual void fun(){cout<<1<<endl;}

  virtual void fun2(){cout<<2<<endl;}

  };

  class B:public A{

  public:

  void fun(){cout<<3<<endl;}

  void fun2(){cout<<4<<endl;}

  };

  由于这两个类中有虚函数存在,所以编译器就会为他们两个分别插入一段你不知道的数据,并为他们分别创建一个表。那段数据叫做vptr指针,指向那个表。那个表叫做vtbl,每个类都有自己的vtbl,vtbl的作用就是保存自己类中虚函数的地址,我们可以把vtbl形象地看成一个数组,这个数组的每个元素存放的就是虚函数的地址,请看图:

                

  通过上图,可以看到这两个vtbl分别为class A和class B服务。现在有了这个模型之后,我们来分析下面的代码

  A *p=new A;

  p->fun();

  毫无疑问,调用了A::fun(),但是A::fun()是如何被调用的呢?它像普通函数那样直接跳转到函数的代码处吗?No,其实是这样的,首先是取出vptr的值,这个值就是vtbl的地址,再根据这个值来到vtbl这里,由于调用的函数A::fun()是第一个虚函数,所以取出vtbl第一个slot里的值,这个值就是A::fun()的地址了,最后调用这个函数。现在我们可以看出来了,只要vptr不同,指向的vtbl就不同,而不同的vtbl里装着对应类的虚函数地址,所以这样虚函数就可以完成它的任务。

  而对于class A和class B来说,他们的vptr指针存放在何处呢?其实这个指针就放在他们各自的实例对象里。由于class A和class B都没有数据成员,所以他们的实例对象里就只有一个vptr指针。通过上面的分析,现在我们来实作一段代码,来描述这个带有虚函数的类的简单模型。

  #include<iostream>

  using namespace std;

  //将上面“虚函数示例代码”添加在这里

  int main(){

  void (*fun)(A*);

  A *p=new B;

  long lVptrAddr;

  memcpy(&lVptrAddr,p,4);

  memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4);

  fun(p);

  delete p;

  system("pause");

  }

  用VC或Dev-C++编译运行一下,看看结果是不是输出3,如果不是,那么太阳明天肯定是从西边出来。现在一步一步开始分析

  void (*fun)(A*); 这段定义了一个函数指针名字叫做fun,而且有一个A*类型的参数,这个函数指针待会儿用来保存从vtbl里取出的函数地址

  A* p=new B; new B是向内存(内存分5个区:全局名字空间,自由存储区,寄存器,代码空间,栈)自由存储区申请一个内存单元的地址然后隐式地保存在一个指针中.然后把这个地址附值给A类型的指针P.

  .

  long lVptrAddr; 这个long类型的变量待会儿用来保存vptr的值

  memcpy(&lVptrAddr,p,4); 前面说了,他们的实例对象里只有vptr指针,所以我们就放心大胆地把p所指的4bytes内存里的东西复制到lVptrAddr中,所以复制出来的4bytes内容就是vptr的值,即vtbl的地址

  现在有了vtbl的地址了,那么我们现在就取出vtbl第一个slot里的内容

  memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4); 取出vtbl第一个slot里的内容,并存放在函数指针fun里。需要注意的是lVptrAddr里面是vtbl的地址,但lVptrAddr不是指针,所以我们要把它先转变成指针类型

  fun(p); 这里就调用了刚才取出的函数地址里的函数,也就是调用了B::fun()这个函数,也许你发现了为什么会有参数p,其实类成员函数调用时,会有个this指针,这个p就是那个this指针,只是在一般的调用中编译器自动帮你处理了而已,而在这里则需要自己处理。

  delete p; 释放由p指向的自由空间;

  system("pause"); 屏幕暂停;

  如果调用B::fun2()怎么办?那就取出vtbl的第二个slot里的值就行了

  memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr+4),4); 为什么是加4呢?因为一个指针的长度是4bytes,所以加4。或者memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr)+1,4); 这更符合数组的用法,因为lVptrAddr被转成了long*型别,所以+1就是往后移sizeof(long)的长度

 

三, 以一段代码开始

  #include<iostream>

  using namespace std;

  class A{ //虚函数示例代码2

  public:

  virtual void fun(){ cout<<"A::fun"<<endl;}

  virtual void fun2(){cout<<"A::fun2"<<endl;}

  };

  class B:public A{

  public:

  void fun(){ cout<<"B::fun"<<endl;}

  void fun2(){ cout<<"B::fun2"<<endl;}

  }; //end//虚函数示例代码2

  int main(){

  void (A::*fun)(); //定义一个函数指针

  A *p=new B;

  fun=&A::fun;

  (p->*fun)();

  fun = &A::fun2;

  (p->*fun)();

  delete p;

  system("pause");

  }

  你能估算出输出结果吗?如果你估算出的结果是A::fun和A::fun2,呵呵,恭喜恭喜,你中圈套了。其实真正的结果是B::fun和B::fun2,如果你想不通就接着往下看。给个提示,&A::fun和&A::fun2是真正获得了虚函数的地址吗?

  首先我们回到第二部分,通过段实作代码,得到一个“通用”的获得虚函数地址的方法

  #include<iostream>

  using namespace std;

  //将上面“虚函数示例代码2”添加在这里

  void CallVirtualFun(void* pThis,int index=0){

  void (*funptr)(void*);

  long lVptrAddr;

  memcpy(&lVptrAddr,pThis,4);

  memcpy(&funptr,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr)+index,4);

  funptr(pThis); //调用

  }

  int main(){

  A* p=new B;

  CallVirtualFun(p); //调用虚函数p->fun()

  CallVirtualFun(p,1);//调用虚函数p->fun2()

  system("pause");

  }

  现在我们拥有一个“通用”的CallVirtualFun方法。

  这个通用方法和第三部分开始处的代码有何联系呢?联系很大。由于A::fun()和A::fun2()是虚函数,所以&A::fun和&A::fun2获得的不是函数的地址,而是一段间接获得虚函数地址的一段代码的地址,我们形象地把这段代码看作那段CallVirtualFun。编译器在编译时,会提供类似于CallVirtualFun这样的代码,当你调用虚函数时,其实就是先调用的那段类似CallVirtualFun的代码,通过这段代码,获得虚函数地址后,最后调用虚函数,这样就真正保证了多态性。同时大家都说虚函数的效率低,其原因就是,在调用虚函数之前,还调用了获得虚函数地址的代码。


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