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virtual function是很多公司面試題的重點考察內(nèi)容，雖然對于C++而言這是一個老生常談的話題了，但是工作中我發(fā)現(xiàn)還是有很多人理解的不透徹。
先看下面的一個例子：
/**
*\brief virtual function test case
*\author peakflys
*\date Sun Dec 1 14:52:47 CST 2013
*/
#include <iostream>
using namespace std;
class Base
{
public:
virtual void print(const int a = 10) {cout<<"Base: "<<a<<endl;}
};
class Derive : public Base
{
public:
virtual void print(const int a = 100) {cout<<"Derive: "<<a<<endl;}
};
int main()
{
Base *pb = new Derive;
pb->print();
Base& rb = *pb;
rb.print();
Derive d;
d.print();
Base *pbb = &d;
pbb->print();
Base& rbb = d;
rbb.print();
Base b;
b.print();
Derive *pd = (Derive*)&b;
pd->print();
Derive& rd = *(Derive*)&b;
rd.print();
delete pb;
return 0;
}
你認為運行后的結(jié)果是什么呢？
下面是在我機器上的運行結(jié)果（Linux dev 2.6.32，gcc (GCC) 4.8.1）
Derive: 10
Derive: 10
Derive: 100
Derive: 10
Derive: 10
Base: 10
Base: 100
Base: 100
上面例子主要考察的內(nèi)容有四塊：虛函數(shù)的執(zhí)行、引用和指針的關(guān)系、函數(shù)調(diào)用過程、類型強轉(zhuǎn)后的行為。如果你能答對所有的結(jié)果，下面的內(nèi)容可以略過。
下面我們來一一回顧一下所涉及到的這四塊內(nèi)容。
1、虛函數(shù)的運行機理：
虛函數(shù)是C++實現(xiàn)多態(tài)性的必要手段，它在運行時刻才決定具體該調(diào)用哪個函數(shù)。對于虛函數(shù)的完整細節(jié)實現(xiàn)標準并未給出，但是大多數(shù)編譯器廠商，包括GCC、VS的常見實現(xiàn)都是在含有虛函數(shù)的類對象起始地址增加一個虛表指針，虛表指針指向的數(shù)組空間稱之為虛表，這個數(shù)組包含了類對象的所有虛函數(shù)地址。詳細內(nèi)容大家可以參看《Inside The C++ Object Model》的Function語義學(xué)（注：這本書里有部分結(jié)論和例子運行同現(xiàn)在主流編譯器的實現(xiàn)有出入）。
2、引用的行為
在常見的編譯器中，引用一般都是通過指針來實現(xiàn)的，它同指針的區(qū)別就是它比指針有更多的約束，使用上有更多的限制。
3、虛函數(shù)的調(diào)用過程：
虛函數(shù)的調(diào)用過程通常是以下三個步驟：
①、參數(shù)壓棧
②、從虛表指針指向的虛表中找出函數(shù)的地址
③、調(diào)用函數(shù)。
這些操作都是在編譯時期就確定的，所不同的是運行時刻對象不同，其對應(yīng)的虛表中函數(shù)地址自然也就是運行時真實對象的函數(shù)，這也就是虛函數(shù)實現(xiàn)的本質(zhì)。
而這個過程中，參數(shù)的入棧是對象無關(guān)的，而且是在編譯時期就確定下來的。所以上面例子中所有指針和引用所調(diào)用函數(shù)的參數(shù)，都是指針和引用本身類型對應(yīng)的函數(shù)默認參數(shù)，同運行時刻他們真實指向的對象內(nèi)存無關(guān)。
4、類型強轉(zhuǎn)后的行為
通常的類型強轉(zhuǎn)是告訴編譯器必須按照指定結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局來解析對應(yīng)內(nèi)存，正如上例中”Derive *pd = (Derive*)&b; “ ，編譯器就會把b對應(yīng)的內(nèi)存來當做Derive的內(nèi)存布局來解析，但是內(nèi)存里的內(nèi)容不變，所以虛函數(shù)運行正常。
注：這種行為很危險，如果使用的內(nèi)存布局并不適合真實內(nèi)存，很可能造成訪問越界等問題，所以要格外小心強轉(zhuǎn)操作的使用！對于例子中的downcasting行為，建議使用C++提供的dynamic_cast來轉(zhuǎn)換。
為了大家更好的理解上面的內(nèi)容，特附上使用指針和引用分別調(diào)用虛函數(shù)過程的gcc匯編代碼和注釋：
Base *pb = new Derive;
400b49: bf 08 00 00 00 mov $0x8,%edi
400b4e: e8 6d fe ff ff callq 4009c0 <_Znwm@plt>
400b53: 48 89 c3 mov %rax,%rbx
400b56: 48 89 df mov %rbx,%rdi
400b59: e8 f4 01 00 00 callq 400d52 <_ZN6DeriveC1Ev> //以上均為Derive對象的構(gòu)造
400b5e: 48 89 5d e8 mov %rbx,-0x18(%rbp) //pb指針的賦值
pb->print();
400b62: 48 8b 45 e8 mov -0x18(%rbp),%rax //pb指針指向的內(nèi)存的首地址，即Derive對象的起始地址，亦即虛表指針的地址
400b66: 48 8b 00 mov (%rax),%rax //取虛表地址
400b69: 48 8b 00 mov (%rax),%rax //取虛表中的第一項內(nèi)容(因Derive和Base只有一個虛函數(shù))，即print函數(shù)地址
400b6c: 48 8b 55 e8 mov -0x18(%rbp),%rdx //this指針傳入rdx
400b70: be 0a 00 00 00 mov $0xa,%esi //參數(shù)10入棧(可見在編譯時期就已經(jīng)確定了)
400b75: 48 89 d7 mov %rdx,%rdi //this指針借rdx傳給rdi
400b78: ff d0 callq *%rax //調(diào)用虛函數(shù)（通過真實對象的虛表來確定的真正被調(diào)函數(shù)）
Base& rb = *pb;
400b7a: 48 8b 45 e8 mov -0x18(%rbp),%rax
400b7e: 48 89 45 e0 mov %rax,-0x20(%rbp)
rb.print();
400b82: 48 8b 45 e0 mov -0x20(%rbp),%rax
400b86: 48 8b 00 mov (%rax),%rax
400b89: 48 8b 00 mov (%rax),%rax
400b8c: 48 8b 55 e0 mov -0x20(%rbp),%rdx
400b90: be 0a 00 00 00 mov $0xa,%esi
400b95: 48 89 d7 mov %rdx,%rdi
400b98: ff d0 callq *%rax //以上為通過引用調(diào)用虛函數(shù)的過程，可見同指針調(diào)用的實現(xiàn)完全相同，注釋略
通過上面的分析，相信大家應(yīng)該都能輕松的明白上面例子的運行結(jié)果，此處不再一一解讀。
--by peakflys 15:57:06 Sunday, December 01, 2013