#include <iostream.h>
class animal
{
public:
void sleep()
{
cout<<"animal sleep"<<endl;
}
void breathe()
{
cout<<"animal breathe"<<endl;
}
};
class fish:public animal
{
public:
void breathe()
{
cout<<"fish bubble"<<endl;
}
};
void main()
{
fish fh;
animal *pAn=&fh;
pAn->breathe();
注意，在例1-1的程序中沒有定義虛函數(shù)。考慮一下例1-1的程序執(zhí)行的結(jié)果是什么？
答案是輸出：animal breathe
我們在main()函數(shù)中首先定義了一個fish類的對象fh，接著定義了一個指向animal類的指針變量pAn，將fh的地址賦給了指針變量pAn，然后利用該變量調(diào)用pAn->breathe()。許多學(xué)員往往將這種情況和C++的多態(tài)性搞混淆，認(rèn)為fh實(shí)際上是fish類的對象，應(yīng)該是調(diào)用fish類的breathe()，輸出“fish bubble”，然后結(jié)果卻不是這樣。下面我們從兩個方面來講述原因。
1、 編譯的角度
C++編譯器在編譯的時候，要確定每個對象調(diào)用的函數(shù)的地址，這稱為早期綁定（early binding），當(dāng)我們將fish類的對象fh的地址賦給pAn時，C++編譯器進(jìn)行了類型轉(zhuǎn)換，此時C++編譯器認(rèn)為變量pAn保存的就是animal對象的地址。當(dāng)在main()函數(shù)中執(zhí)行pAn->breathe()時，調(diào)用的當(dāng)然就是animal對象的breathe函數(shù)。
2、 內(nèi)存模型的角度
我們給出了fish對象內(nèi)存模型，如下圖所示：
圖1- 1 fish類對象的內(nèi)存模型
我們構(gòu)造fish類的對象時，首先要調(diào)用animal類的構(gòu)造函數(shù)去構(gòu)造animal類的對象，然后才調(diào)用fish類的構(gòu)造函數(shù)完成自身部分的構(gòu)造，從而拼接出一個完整的fish對象。當(dāng)我們將fish類的對象轉(zhuǎn)換為animal類型時，該對象就被認(rèn)為是原對象整個內(nèi)存模型的上半部分，也就是圖1-1中的“animal的對象所占內(nèi)存”。那么當(dāng)我們利用類型轉(zhuǎn)換后的對象指針去調(diào)用它的方法時，當(dāng)然也就是調(diào)用它所在的內(nèi)存中的方法。因此，輸出animal breathe，也就順理成章了。
正如很多學(xué)員所想，在例1-1的程序中，我們知道pAn實(shí)際指向的是fish類的對象，我們希望輸出的結(jié)果是魚的呼吸方法，即調(diào)用fish類的breathe方法。這個時候，就該輪到虛函數(shù)登場了。
前面輸出的結(jié)果是因?yàn)榫幾g器在編譯的時候，就已經(jīng)確定了對象調(diào)用的函數(shù)的地址，要解決這個問題就要使用遲綁定（late binding）技術(shù)。當(dāng)編譯器使用遲綁定時，就會在運(yùn)行時再去確定對象的類型以及正確的調(diào)用函數(shù)。而要讓編譯器采用遲綁定，就要在基類中聲明函數(shù)時使用virtual關(guān)鍵字（注意，這是必須的，很多學(xué)員就是因?yàn)闆]有使用虛函數(shù)而寫出很多錯誤的例子），這樣的函數(shù)我們稱為虛函數(shù)。一旦某個函數(shù)在基類中聲明為virtual，那么在所有的派生類中該函數(shù)都是virtual，而不需要再顯式地聲明為virtual。
下面修改例1-1的代碼，將animal類中的breathe()函數(shù)聲明為virtual，如下：
#include <iostream.h>
class animal
{
public:
void sleep()
{
cout<<"animal sleep"<<endl;
}
virtual void breathe()
{
cout<<"animal breathe"<<endl;
}
};
class fish:public animal
{
public:
void breathe()
{
cout<<"fish bubble"<<endl;
}
};
void main()
{
fish fh;
animal *pAn=&fh;
pAn->breathe();
大家可以再次運(yùn)行這個程序，你會發(fā)現(xiàn)結(jié)果是“fish bubble”，也就是根據(jù)對象的類型調(diào)用了正確的函數(shù)。
那么當(dāng)我們將breathe()聲明為virtual時，在背后發(fā)生了什么呢？
編譯器在編譯的時候，發(fā)現(xiàn)animal類中有虛函數(shù)，此時編譯器會為每個包含虛函數(shù)的類創(chuàng)建一個虛表（即vtable），該表是一個一維數(shù)組，在這個數(shù)組中存放每個虛函數(shù)的地址。對于例1-2的程序，animal和fish類都包含了一個虛函數(shù)breathe()，因此編譯器會為這兩個類都建立一個虛表，如下圖所示：
圖1- 2 animal類和fish類的虛表
那么如何定位虛表呢？編譯器另外還為每個類的對象提供了一個虛表指針（即vptr），這個指針指向了對象所屬類的虛表。在程序運(yùn)行時，根據(jù)對象的類型去初始化vptr，從而讓vptr正確的指向所屬類的虛表，從而在調(diào)用虛函數(shù)時，就能夠找到正確的函數(shù)。對于例1-2的程序，由于pAn實(shí)際指向的對象類型是fish，因此vptr指向的fish類的vtable，當(dāng)調(diào)用pAn->breathe()時，根據(jù)虛表中的函數(shù)地址找到的就是fish類的breathe()函數(shù)。
正是由于每個對象調(diào)用的虛函數(shù)都是通過虛表指針來索引的，也就決定了虛表指針的正確初始化是非常重要的。換句話說，在虛表指針沒有正確初始化之前，我們不能夠去調(diào)用虛函數(shù)。那么虛表指針在什么時候，或者說在什么地方初始化呢？
答案是在構(gòu)造函數(shù)中進(jìn)行虛表的創(chuàng)建和虛表指針的初始化。還記得構(gòu)造函數(shù)的調(diào)用順序嗎，在構(gòu)造子類對象時，要先調(diào)用父類的構(gòu)造函數(shù)，此時編譯器只“看到了”父類，并不知道后面是否后還有繼承者，它初始化父類對象的虛表指針，該虛表指針指向父類的虛表。當(dāng)執(zhí)行子類的構(gòu)造函數(shù)時，子類對象的虛表指針被初始化，指向自身的虛表。對于例2-2的程序來說，當(dāng)fish類的fh對象構(gòu)造完畢后，其內(nèi)部的虛表指針也就被初始化為指向fish類的虛表。在類型轉(zhuǎn)換后，調(diào)用pAn->breathe()，由于pAn實(shí)際指向的是fish類的對象，該對象內(nèi)部的虛表指針指向的是fish類的虛表，因此最終調(diào)用的是fish類的breathe()函數(shù)。
要注意：對于虛函數(shù)調(diào)用來說，每一個對象內(nèi)部都有一個虛表指針，該虛表指針被初始化為本類的虛表。所以在程序中，不管你的對象類型如何轉(zhuǎn)換，但該對象內(nèi)部的虛表指針是固定的，所以呢，才能實(shí)現(xiàn)動態(tài)的對象函數(shù)調(diào)用，這就是C++多態(tài)性實(shí)現(xiàn)的原理。
總結(jié)（基類有虛函數(shù)）：
1、 每一個類都有虛表。
2、 虛表可以繼承，如果子類沒有重寫虛函數(shù)，那么子類虛表中仍然會有該函數(shù)的地址，只不過這個地址指向的是基類的虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)。如果基類3個虛函數(shù)，那么基類的虛表中就有三項（虛函數(shù)地址），派生類也會有虛表，至少有三項，如果重寫了相應(yīng)的虛函數(shù)，那么虛表中的地址就會改變，指向自身的虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)。如果派生類有自己的虛函數(shù)，那么虛表中就會添加該項。
3、 派生類的虛表中虛函數(shù)地址的排列順序和基類的虛表中虛函數(shù)地址排列順序相同。
posted on 2011-04-08 22:23
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