虛函數聯系到多態,多態聯系到繼承。所以本文中都是在繼承層次上做文章。沒了繼承,什么都沒得談。
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下面是小弟對C++的虛函數這玩意兒的理解。
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一,? 什么是虛函數(如果不知道虛函數為何物,但有急切的想知道,那你就應該從這里開始)
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簡單地說,那些被virtual關鍵字修飾的成員函數,就是虛函數。虛函數的作用,用專業術語來解釋就是實現多態性(Polymorphism),多態性是將接口與實現進行分離;用形象的語言來解釋就是實現以共同的方法,但因個體差異而采用不同的策略。下面來看一段簡單的代碼
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class A{
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public:
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??? void print(){ cout<<”This is A”<<endl;}
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};
?
class B:public A{
?
public:
?
??? void print(){ cout<<”This is B”<<endl;}
?
};
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int main(){?? //為了在以后便于區分,我這段main()代碼叫做main1
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?? A a;
?
?? B b;
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?? a.print();
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?? b.print();
?
}
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通過class A和class B的print()這個接口,可以看出這兩個class因個體的差異而采用了不同的策略,輸出的結果也是我們預料中的,分別是This is A和This is B。但這是否真正做到了多態性呢?No,多態還有個關鍵之處就是一切用指向基類的指針或引用來操作對象。那現在就把main()處的代碼改一改。
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int main(){?? //main2
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??? A a;
?
??? B b;
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??? A* p1=&a;
?
??? A* p2=&b;
?
??? p1->print();
?
??? p2->print();
?
}
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運行一下看看結果,喲呵,驀然回首,結果卻是兩個This is A。問題來了,p2明明指向的是class B的對象但卻是調用的class A的print()函數,這不是我們所期望的結果,那么解決這個問題就需要用到虛函數
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class A{
?
public:
?
??? virtual void print(){ cout<<”This is A”<<endl;}? //現在成了虛函數了
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};
?
class B:public A{
?
public:
?
??? void print(){ cout<<”This is B”<<endl;}? //這里需要在前面加上關鍵字virtual嗎?
?
};
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毫無疑問,class A的成員函數print()已經成了虛函數,那么class B的print()成了虛函數了嗎?回答是Yes,我們只需在把基類的成員函數設為virtual,其派生類的相應的函數也會自動變為虛函數。所以,class B的print()也成了虛函數。那么對于在派生類的相應函數前是否需要用virtual關鍵字修飾,那就是你自己的問題了。
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現在重新運行main2的代碼,這樣輸出的結果就是This is A和This is B了。
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現在來消化一下,我作個簡單的總結,指向基類的指針在操作它的多態類對象時,會根據不同的類對象,調用其相應的函數,這個函數就是虛函數。
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二,? 虛函數是如何做到的(如果你沒有看過《Inside The C++ Object Model》這本書,但又急切想知道,那你就應該從這里開始)
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虛函數是如何做到因對象的不同而調用其相應的函數的呢?現在我們就來剖析虛函數。我們先定義兩個類
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class A{?? //虛函數示例代碼
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public:
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?? virtual void fun(){cout<<1<<endl;}
?
?? virtual void fun2(){cout<<2<<endl;}
?
};
?
class B:public A{
?
public:
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?? void fun(){cout<<3<<endl;}
?
?? void fun2(){cout<<4<<endl;}
?
};
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由于這兩個類中有虛函數存在,所以編譯器就會為他們兩個分別插入一段你不知道的數據,并為他們分別創建一個表。那段數據叫做vptr指針,指向那個表。那個表叫做vtbl,每個類都有自己的vtbl,vtbl的作用就是保存自己類中虛函數的地址,我們可以把vtbl形象地看成一個數組,這個數組的每個元素存放的就是虛函數的地址,請看圖
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通過上圖,可以看到這兩個vtbl分別為class A和class B服務。現在有了這個模型之后,我們來分析下面的代碼
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A *p=new A;
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p->fun();
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毫無疑問,調用了A::fun(),但是A::fun()是如何被調用的呢?它像普通函數那樣直接跳轉到函數的代碼處嗎?No,其實是這樣的,首先是取出vptr的值,這個值就是vtbl的地址,再根據這個值來到vtbl這里,由于調用的函數A::fun()是第一個虛函數,所以取出vtbl第一個slot里的值,這個值就是A::fun()的地址了,最后調用這個函數。現在我們可以看出來了,只要vptr不同,指向的vtbl就不同,而不同的vtbl里裝著對應類的虛函數地址,所以這樣虛函數就可以完成它的任務。
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而對于class A和class B來說,他們的vptr指針存放在何處呢?其實這個指針就放在他們各自的實例對象里。由于class A和class B都沒有數據成員,所以他們的實例對象里就只有一個vptr指針。通過上面的分析,現在我們來實作一段代碼,來描述這個帶有虛函數的類的簡單模型。
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#include<iostream>
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using namespace std;
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//將上面“虛函數示例代碼”添加在這里
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int main(){
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? void (*fun)(A*);
?
? A *p=new B;
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? long lVptrAddr;
?
? memcpy(&lVptrAddr,p,4);
?
? memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4);
?
? fun(p);
?
? delete p;
?
? system("pause");
?
}
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用VC或Dev-C++編譯運行一下,看看結果是不是輸出3,如果不是,那么太陽明天肯定是從西邊出來。現在一步一步開始分析
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void (*fun)(A*);? 這段定義了一個函數指針名字叫做fun,而且有一個A*類型的參數,這個函數指針待會兒用來保存從vtbl里取出的函數地址
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A* p=new B;? 這個我不太了解,算了,不解釋這個了
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long lVptrAddr;? 這個long類型的變量待會兒用來保存vptr的值
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memcpy(&lVptrAddr,p,4);? 前面說了,他們的實例對象里只有vptr指針,所以我們就放心大膽地把p所指的4bytes內存里的東西復制到lVptrAddr中,所以復制出來的4bytes內容就是vptr的值,即vtbl的地址
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現在有了vtbl的地址了,那么我們現在就取出vtbl第一個slot里的內容
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memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4);? 取出vtbl第一個slot里的內容,并存放在函數指針fun里。需要注意的是lVptrAddr里面是vtbl的地址,但lVptrAddr不是指針,所以我們要把它先轉變成指針類型
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fun(p);? 這里就調用了剛才取出的函數地址里的函數,也就是調用了B::fun()這個函數,也許你發現了為什么會有參數p,其實類成員函數調用時,會有個this指針,這個p就是那個this指針,只是在一般的調用中編譯器自動幫你處理了而已,而在這里則需要自己處理。
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delete p;和system("pause");? 這個我不太了解,算了,不解釋這個了
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如果調用B::fun2()怎么辦?那就取出vtbl的第二個slot里的值就行了
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memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr+4),4); 為什么是加4呢?因為一個指針的長度是4bytes,所以加4。或者memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr)+1,4); 這更符合數組的用法,因為lVptrAddr被轉成了long*型別,所以+1就是往后移sizeof(long)的長度
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三,? 以一段代碼開始
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#include<iostream>
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using namespace std;
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class A{?? //虛函數示例代碼2
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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//虛函數示例代碼2
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int main(){
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void (A::*fun)();? //定義一個函數指針
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A *p=new B;
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fun=&A::fun;
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(p->*fun)();
?
fun = &A::fun2;
?
(p->*fun)();
?
delete p;
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system("pause");
?
}
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你能估算出輸出結果嗎?如果你估算出的結果是A::fun和A::fun2,呵呵,恭喜恭喜,你中圈套了。其實真正的結果是B::fun和B::fun2,如果你想不通就接著往下看。給個提示,&A::fun和&A::fun2是真正獲得了虛函數的地址嗎?
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首先我們回到第二部分,通過段實作代碼,得到一個“通用”的獲得虛函數地址的方法
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#include<iostream>
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using namespace std;
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//將上面“虛函數示例代碼2”添加在這里
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void CallVirtualFun(void* pThis,int index=0){
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? void (*funptr)(void*);
?
? long lVptrAddr;
?
? memcpy(&lVptrAddr,pThis,4);
?
? memcpy(&funptr,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr)+index,4);
?
? funptr(pThis); //調用
?
}
?
int main(){
?
?? A* p=new B;
?
?? CallVirtualFun(p);? //調用虛函數p->fun()
?
?? CallVirtualFun(p,1);//調用虛函數p->fun2()
?
?? system("pause");
?
}
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現在我們擁有一個“通用”的CallVirtualFun方法。
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這個通用方法和第三部分開始處的代碼有何聯系呢?聯系很大。由于A::fun()和A::fun2()是虛函數,所以&A::fun和&A::fun2獲得的不是函數的地址,而是一段間接獲得虛函數地址的一段代碼的地址,我們形象地把這段代碼看作那段CallVirtualFun。編譯器在編譯時,會提供類似于CallVirtualFun這樣的代碼,當你調用虛函數時,其實就是先調用的那段類似CallVirtualFun的代碼,通過這段代碼,獲得虛函數地址后,最后調用虛函數,這樣就真正保證了多態性。同時大家都說虛函數的效率低,其原因就是,在調用虛函數之前,還調用了獲得虛函數地址的代碼。
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最后的說明:本文的代碼可以用VC6和Dev-C++4.9.8.0通過編譯,且運行無問題。其他的編譯器小弟不敢保證。其中,里面的類比方法只能看成模型,因為不同的編譯器的低層實現是不同的。例如this指針,Dev-C++的gcc就是通過壓棧,當作參數傳遞,而VC的編譯器則通過取出地址保存在ecx中。所以這些類比方法不能當作具體實現。