mysileng

作者：July。
出處：http://blog.csdn.net/v_JULY_v 。

前奏

    有關(guān)虛函數(shù)的問題層出不窮，有關(guān)虛函數(shù)的文章千篇一律，那為何還要寫這一篇有關(guān)虛函數(shù)的文章呢?看完本文后，相信能懂其意義之所在。同時，原狂想曲系列已經(jīng)更名為程序員編程藝術(shù)系列，因為不再只專注于“面試”，而在“編程”之上了。ok，如果有不正之處，望不吝賜教。謝謝。

第一節(jié)、一道簡單的虛函數(shù)的面試題
題目要求：寫出下面程序的運行結(jié)果?

    我想，這道面試題應(yīng)該是考察虛函數(shù)相關(guān)知識的相對簡單的一道題目了。然后，希望你碰到此類有關(guān)虛函數(shù)的面試題，不論其難度是難是易，都能夠舉一反三，那么本章的目的也就達到了。ok，請跟著我的思路，咱們步步深入（上面程序的輸出結(jié)果為A B）。

第二節(jié)、有無虛函數(shù)的區(qū)別
      1、當(dāng)上述程序中的函數(shù)p()不是虛函數(shù)，那么程序的運行結(jié)果是如何?即如下代碼所示：

class A
{
public:
 void p() 
 { 
  cout << "A" << endl; 
 }
 
};

class B : public A
{
public:
 void p() 
 { 
  cout << "B" << endl;
 }
};

對的，程序此時將輸出兩個A，A。為什么?
我們知道，在構(gòu)造一個類的對象時，如果它有基類，那么首先將構(gòu)造基類的對象，然后才構(gòu)造派生類自己的對象。如上，A* a=new A，調(diào)用默認構(gòu)造函數(shù)構(gòu)造基類A對象，然后調(diào)用函數(shù)p()，a->p();輸出A，這點沒有問題。
    然后，A * b = new B;，構(gòu)造了派生類對象B，B由于是基類A的派生類對象，所以會先構(gòu)造基類A對象，然后再構(gòu)造派生類對象，但由于當(dāng)程序中函數(shù)是非虛函數(shù)調(diào)用時，B類對象對函數(shù)p()的調(diào)用時在編譯時就已靜態(tài)確定了，所以，不論基類指針b最終指向的是基類對象還是派生類對象，只要后面的對象調(diào)用的函數(shù)不是虛函數(shù)，那么就直接無視，而調(diào)用基類A的p()函數(shù)。

      2、那如果加上虛函數(shù)呢?即如最開始的那段程序那樣，程序的輸出結(jié)果，將是什么?
在此之前，我們還得明確以下兩點：
    a、通過基類引用或指針調(diào)用基類中定義的函數(shù)時，我們并不知道執(zhí)行函數(shù)的對象的確切類型，執(zhí)行函數(shù)的對象可能是基類類型的，也可能是派生類型的。
    b、如果調(diào)用非虛函數(shù)，則無論實際對象是什么類型，都執(zhí)行基類類型所定義的函數(shù)（如上述第1點所述）。如果調(diào)用虛函數(shù)，則直到運行時才能確定調(diào)用哪個函數(shù)，運行的虛函數(shù)是引用所綁定的或指針所指向的對象所屬類型定義的版本。

根據(jù)上述b的觀點，我們知道，如果加上虛函數(shù)，如上面這道面試題，

class A
{
public:
 virtual void p() 
 { 
  cout << "A" << endl; 
 }
 
};

class B : public A
{
public:
 virtual void p() 
 { 
  cout << "B" << endl;
 }
};

int main() 
{
 A * a = new A;
 A * b = new B;
 a->p();
 b->p();
 delete a;
 delete b;
    return 0;
}

 

那么程序的輸出結(jié)果將是A B。

所以，至此，咱們的這道面試題已經(jīng)解決。但虛函數(shù)的問題，還沒有解決。

第三節(jié)、虛函數(shù)的原理與本質(zhì)
    我們已經(jīng)知道，虛（virtual）函數(shù)的一般實現(xiàn)模型是：每一個類（class）有一個虛表（virtual table），內(nèi)含該class之中有作用的虛（virtual）函數(shù)的地址，然后每個對象有一個vptr，指向虛表（virtual table）的所在。

請允許我援引自深度探索c++對象模型一書上的一個例子：

class Point { 
public: 
   virtual ~Point();  

   virtual Point& mult( float ) = 0; 

   float x() const { return _x; }     //非虛函數(shù)，不作存儲
   virtual float y() const { return 0; }  
   virtual float z() const { return 0; }  
   // ...

protected: 
   Point( float x = 0.0 ); 
   float _x; 
};

      1、在Point的對象pt中，有兩個東西，一個是數(shù)據(jù)成員_x，一個是_vptr_Point。其中_vptr_Point指向著virtual table point，而virtual table（虛表）point中存儲著以下東西：

• virtual ~Point()被賦值slot 1，
• mult() 將被賦值slot 2.
• y() is 將被賦值slot 3
• z() 將被賦值slot 4.

class Point2d : public Point { 
public: 
   Point2d( float x = 0.0, float y = 0.0 )  
      : Point( x ), _y( y ) {} 
   ~Point2d();   //1

   //改寫base class virtual functions 
   Point2d& mult( float );  //2
   float y() const { return _y; }  //3

protected: 
   float _y; 
};

      2、在Point2d的對象pt2d中，有三個東西，首先是繼承自基類pt對象的數(shù)據(jù)成員_x，然后是pt2d對象本身的數(shù)據(jù)成員_y，最后是_vptr_Point。其中_vptr_Point指向著virtual table point2d。由于Point2d繼承自Point，所以在virtual table point2d中存儲著：改寫了的其中的~Point2d()、Point2d& mult( float )、float y() const，以及未被改寫的Point::z()函數(shù)。

class Point3d: public Point2d { 
public: 
   Point3d( float x = 0.0, 
            float y = 0.0, float z = 0.0 ) 
      : Point2d( x, y ), _z( z ) {} 
   ~Point3d();

   // overridden base class virtual functions 
   Point3d& mult( float ); 
   float z() const { return _z; }

   // ... other operations ... 
protected: 
   float _z; 
};

      3、在Point3d的對象pt3d中，則有四個東西，一個是_x，一個是_vptr_Point，一個是_y，一個是_z。其中_vptr_Point指向著virtual table point3d。由于point3d繼承自point2d，所以在virtual table point3d中存儲著：已經(jīng)改寫了的point3d的~Point3d()，point3d::mult()的函數(shù)地址，和z()函數(shù)的地址，以及未被改寫的point2d的y()函數(shù)地址。

ok，上述1、2、3所有情況的詳情，請參考下圖。

本文，日后可能會酌情考慮增補有關(guān)內(nèi)容。ok，更多，可參考深度探索c++對象模型一書第四章。
最近幾章難度都比較小，是考慮到狂想曲有深有淺的原則，后續(xù)章節(jié)會逐步恢復(fù)到相應(yīng)難度。

第四節(jié)、虛函數(shù)的布局與匯編層面的考察

      ivan、老夢的兩篇文章繼續(xù)對虛函數(shù)進行了一番深入，我看他們已經(jīng)寫得很好了，我就不饒舌了。ok，請看：1、VC虛函數(shù)布局引發(fā)的問題，2、從匯編層面深度剖析C++虛函數(shù)、http://blog.csdn.net/linyt/archive/2011/04/20/6336762.aspx。

第五節(jié)、虛函數(shù)表的詳解

    本節(jié)全部內(nèi)容來自淄博的共享，非常感謝。注@molixiaogemao：只有發(fā)生繼承的時候且父類子類都有virtual的時候才會出現(xiàn)虛函數(shù)指針，請不要忘了虛函數(shù)出現(xiàn)的目的是為了實現(xiàn)多態(tài)。
 

 一般繼承（無虛函數(shù)覆蓋）
 下面，再讓我們來看看繼承時的虛函數(shù)表是什么樣的。假設(shè)有如下所示的一個繼承關(guān)系：

請注意，在這個繼承關(guān)系中，子類沒有重載任何父類的函數(shù)。那么，在派生類的實例中，

 對于實例：Derive d; 的虛函數(shù)表如下：

我們從表中可以看到下面幾點，
 1）覆蓋的f()函數(shù)被放到了虛表中原來父類虛函數(shù)的位置。
 2）沒有被覆蓋的函數(shù)依舊。
 
 這樣，我們就可以看到對于下面這樣的程序，
 Base *b = new Derive();

b->f();

由b所指的內(nèi)存中的虛函數(shù)表的f()的位置已經(jīng)被Derive::f()函數(shù)地址所取代，
于是在實際調(diào)用發(fā)生時，是Derive::f()被調(diào)用了。這就實現(xiàn)了多態(tài)。

多重繼承（無虛函數(shù)覆蓋）

下面，再讓我們來看看多重繼承中的情況，假設(shè)有下面這樣一個類的繼承關(guān)系（注意：子類并沒有覆蓋父類的函數(shù)）：

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(shù)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(diào)用到實際的函數(shù)。

多重繼承（有虛函數(shù)覆蓋）
下面我們再來看看，如果發(fā)生虛函數(shù)覆蓋的情況。
下圖中，我們在子類中覆蓋了父類的f()函數(shù)。

我們可以看見，三個父類虛函數(shù)表中的f()的位置被替換成了子類的函數(shù)指針。
這樣，我們就可以任一靜態(tài)類型的父類來指向子類，并調(diào)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(shù)表有一個比較細致的了解了。
水可載舟，亦可覆舟。下面，讓我們來看看我們可以用虛函數(shù)表來干點什么壞事吧。

一、通過父類型的指針訪問子類自己的虛函數(shù)
我們知道，子類沒有重載父類的虛函數(shù)是一件毫無意義的事情。因為多態(tài)也是要基于函數(shù)重載的。
雖然在上面的圖中我們可以看到Base1的虛表中有Derive的虛函數(shù)，但我們根本不可能使用下面的語句來調(diào)用子類的自有虛函數(shù)：

Base1 *b1 = new Derive();
b1->g1(); //編譯出錯

任何妄圖使用父類指針想調(diào)用子類中的未覆蓋父類的成員函數(shù)的行為都會被編譯器視為非法，即基類指針不能調(diào)用子類自己定義的成員函數(shù)。所以，這樣的程序根本無法編譯通過。
但在運行時，我們可以通過指針的方式訪問虛函數(shù)表來達到違反C++語義的行為。
（關(guān)于這方面的嘗試，通過閱讀后面附錄的代碼，相信你可以做到這一點）

二、訪問non-public的虛函數(shù)
另外，如果父類的虛函數(shù)是private或是protected的，但這些非public的虛函數(shù)同樣會存在于虛函數(shù)表中，
所以，我們同樣可以使用訪問虛函數(shù)表的方式來訪問這些non-public的虛函數(shù)，這是很容易做到的。
如：

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

class Derive : public Base{ 
};
typedef void(*Fun)(void);
void main() {
 Derive d;
 Fun pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&d)+0);
 pFun(); 
}

對上面粗體部分的解釋（@a && x）：

1. (int*)(&d)取vptr地址，該地址存儲的是指向vtbl的指針
2. (int*)*(int*)(&d)取vtbl地址，該地址存儲的是虛函數(shù)表數(shù)組
3. (Fun)*((int*)*(int*)(&d) +0)，取vtbl數(shù)組的第一個元素，即Base中第一個虛函數(shù)f的地址
4. (Fun)*((int*)*(int*)(&d) +1)，取vtbl數(shù)組的第二個元素（這第4點，如下圖所示）。

下圖也能很清晰的說明一些東西（@5）：

ok，再來看一個問題，如果一個子類重載的虛擬函數(shù)為privete，那么通過父類的指針可以訪問到它嗎？

#include <IOSTREAM>   
class B   
{    
public:    
    virtual void fun()      
    {     
        std::cout << "base fun called";     
    };    
};  

class D : public B    
{    
private:   
    virtual void fun()      
    {     
        std::cout << "driver fun called";    
    };    
};  

int main(int argc, char* argv[])   
{       
    B* p = new D();    
    p->fun();    
    return 0;    
}  
運行時會輸出 driver fun called

從這個實驗，可以更深入的了解虛擬函數(shù)編譯時的一些特征:
在編譯虛擬函數(shù)調(diào)用的時候，例如p->fun(); 只是按其靜態(tài)類型來處理的, 在這里p的類型就是B，不會考慮其實際指向的類型（動態(tài)類型）。
    也就是說，碰到p->fun();編譯器就當(dāng)作調(diào)用B的fun來進行相應(yīng)的檢查和處理。
因為在B里fun是public的，所以這里在“訪問控制檢查”這一關(guān)就完全可以通過了。
然后就會轉(zhuǎn)換成(*p->vptr[1])(p)這樣的方式處理, p實際指向的動態(tài)類型是D，
    所以p作為參數(shù)傳給fun后(類的非靜態(tài)成員函數(shù)都會編譯加一個指針參數(shù)，指向調(diào)用該函數(shù)的對象，我們平常用的this就是該指針的值）, 實際運行時p->vptr[1]則獲取到的是D::fun()的地址，也就調(diào)用了該函數(shù), 這也就是動態(tài)運行的機理。

為了進一步的實驗，可以將B里的fun改為private的，D里的改為public的，則編譯就會出錯。
C++的注意條款中有一條" 絕不重新定義繼承而來的缺省參數(shù)值" 
（Effective C++ Item37， never redefine a function's inherited default parameter value) 也是同樣的道理。

可以再做個實驗
class B   
{    
public:   
    virtual void fun(int i = 1)      
    {     
        std::cout << "base fun called, " << i;     
    };    
};  

class D : public B    
{    
private:    
    virtual void fun(int i = 2)      
    {     
        std::cout << "driver fun called, " << i;     
    };    
}; 

 

 

則運行會輸出driver fun called, 1

 

關(guān)于這一點，Effective上講的很清楚“virtual 函數(shù)系動態(tài)綁定， 而缺省參數(shù)卻是靜態(tài)綁定”，
也就是說在編譯的時候已經(jīng)按照p的靜態(tài)類型處理其默認參數(shù)了,轉(zhuǎn)換成了(*p->vptr[1])(p, 1)這樣的方式。 

補遺

   一個類如果有虛函數(shù)，不管是幾個虛函數(shù)，都會為這個類聲明一個虛函數(shù)表，這個虛表是一個含有虛函數(shù)的類的，不是說是類對象的。一個含有虛函數(shù)的類，不管有多少個數(shù)據(jù)成員，每個對象實例都有一個虛指針，在內(nèi)存中，存放每個類對象的內(nèi)存區(qū)，在內(nèi)存區(qū)的頭部都是先存放這個指針變量的（準確的說，應(yīng)該是：視編譯器具體情況而定），從第n（n視實際情況而定）個字節(jié)才是這個對象自己的東西。

 

下面再說下通過基類指針，調(diào)用虛函數(shù)所發(fā)生的一切：
One *p;
p->disp();

1、上來要取得類的虛表的指針，就是要得到，虛表的地址。存放類對象的內(nèi)存區(qū)的前四個字節(jié)其實就是用來存放虛表的地址的。
2、得到虛表的地址后，從虛表那知道你調(diào)用的那個函數(shù)的入口地址。根據(jù)虛表提供的你要找的函數(shù)的地址。并調(diào)用函數(shù)；你要知道，那個虛表是一個存放指針變量的數(shù)組，并不是說，那個虛表中就是存放的虛函數(shù)的實體。

本章完。