虛函數(shù)聯(lián)系到多態(tài)，多態(tài)聯(lián)系到繼承。所以本文中都是在繼承層次上做文章。沒(méi)了繼承，什么都沒(méi)得談。
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下面是小弟對(duì)C++的虛函數(shù)這玩意兒的理解。
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一，? 什么是虛函數(shù)（如果不知道虛函數(shù)為何物，但有急切的想知道，那你就應(yīng)該從這里開(kāi)始）
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簡(jiǎn)單地說(shuō)，那些被virtual關(guān)鍵字修飾的成員函數(shù)，就是虛函數(shù)。虛函數(shù)的作用，用專業(yè)術(shù)語(yǔ)來(lái)解釋就是實(shí)現(xiàn)多態(tài)性（Polymorphism），多態(tài)性是將接口與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分離；用形象的語(yǔ)言來(lái)解釋就是實(shí)現(xiàn)以共同的方法，但因個(gè)體差異而采用不同的策略。下面來(lái)看一段簡(jiǎn)單的代碼
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class A{
?
public:
?
??? void print(){ cout<<”This is A”<<endl;}
?
};
?
class B:public A{
?
public:
?
??? void print(){ cout<<”This is B”<<endl;}
?
};
?
int main(){?? //為了在以后便于區(qū)分，我這段main()代碼叫做main1
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?? A a;
?
?? B b;
?
?? a.print();
?
?? b.print();
?
}
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通過(guò)class A和class B的print()這個(gè)接口，可以看出這兩個(gè)class因個(gè)體的差異而采用了不同的策略，輸出的結(jié)果也是我們預(yù)料中的，分別是This is A和This is B。但這是否真正做到了多態(tài)性呢？No，多態(tài)還有個(gè)關(guān)鍵之處就是一切用指向基類的指針或引用來(lái)操作對(duì)象。那現(xiàn)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;
?
??? A* p1=&a;
?
??? A* p2=&b;
?
??? p1->print();
?
??? p2->print();
?
}
?
運(yùn)行一下看看結(jié)果，喲呵，驀然回首，結(jié)果卻是兩個(gè)This is A。問(wèn)題來(lái)了，p2明明指向的是class B的對(duì)象但卻是調(diào)用的class A的print()函數(shù)，這不是我們所期望的結(jié)果，那么解決這個(gè)問(wèn)題就需要用到虛函數(shù)
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class A{
?
public:
?
??? virtual void print(){ cout<<”This is A”<<endl;}? //現(xiàn)在成了虛函數(shù)了
?
};
?
class B:public A{
?
public:
?
??? void print(){ cout<<”This is B”<<endl;}? //這里需要在前面加上關(guān)鍵字virtual嗎？
?
};
?
毫無(wú)疑問(wèn)，class A的成員函數(shù)print()已經(jīng)成了虛函數(shù)，那么class B的print()成了虛函數(shù)了嗎？回答是Yes，我們只需在把基類的成員函數(shù)設(shè)為virtual，其派生類的相應(yīng)的函數(shù)也會(huì)自動(dòng)變?yōu)樘摵瘮?shù)。所以，class B的print()也成了虛函數(shù)。那么對(duì)于在派生類的相應(yīng)函數(shù)前是否需要用virtual關(guān)鍵字修飾，那就是你自己的問(wèn)題了。
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現(xiàn)在重新運(yùn)行main2的代碼，這樣輸出的結(jié)果就是This is A和This is B了。
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現(xiàn)在來(lái)消化一下，我作個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)，指向基類的指針在操作它的多態(tài)類對(duì)象時(shí)，會(huì)根據(jù)不同的類對(duì)象，調(diào)用其相應(yīng)的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)就是虛函數(shù)。
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二，? 虛函數(shù)是如何做到的（如果你沒(méi)有看過(guò)《Inside The C++ Object Model》這本書(shū)，但又急切想知道，那你就應(yīng)該從這里開(kāi)始）
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虛函數(shù)是如何做到因?qū)ο蟮牟煌{(diào)用其相應(yīng)的函數(shù)的呢？現(xiàn)在我們就來(lái)剖析虛函數(shù)。我們先定義兩個(gè)類
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class A{?? //虛函數(shù)示例代碼
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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;}
?
};
?
由于這兩個(gè)類中有虛函數(shù)存在，所以編譯器就會(huì)為他們兩個(gè)分別插入一段你不知道的數(shù)據(jù)，并為他們分別創(chuàng)建一個(gè)表。那段數(shù)據(jù)叫做vptr指針，指向那個(gè)表。那個(gè)表叫做vtbl，每個(gè)類都有自己的vtbl，vtbl的作用就是保存自己類中虛函數(shù)的地址，我們可以把vtbl形象地看成一個(gè)數(shù)組，這個(gè)數(shù)組的每個(gè)元素存放的就是虛函數(shù)的地址，請(qǐng)看圖
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通過(guò)上圖，可以看到這兩個(gè)vtbl分別為class A和class B服務(wù)。現(xiàn)在有了這個(gè)模型之后，我們來(lái)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(wú)疑問(wèn)，調(diào)用了A::fun()，但是A::fun()是如何被調(diào)用的呢？它像普通函數(shù)那樣直接跳轉(zhuǎn)到函數(shù)的代碼處嗎？No，其實(shí)是這樣的，首先是取出vptr的值，這個(gè)值就是vtbl的地址，再根據(jù)這個(gè)值來(lái)到vtbl這里，由于調(diào)用的函數(shù)A::fun()是第一個(gè)虛函數(shù)，所以取出vtbl第一個(gè)slot里的值，這個(gè)值就是A::fun()的地址了，最后調(diào)用這個(gè)函數(shù)。現(xiàn)在我們可以看出來(lái)了，只要vptr不同，指向的vtbl就不同，而不同的vtbl里裝著對(duì)應(yīng)類的虛函數(shù)地址，所以這樣虛函數(shù)就可以完成它的任務(wù)。
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而對(duì)于class A和class B來(lái)說(shuō)，他們的vptr指針存放在何處呢？其實(shí)這個(gè)指針就放在他們各自的實(shí)例對(duì)象里。由于class A和class B都沒(méi)有數(shù)據(jù)成員，所以他們的實(shí)例對(duì)象里就只有一個(gè)vptr指針。通過(guò)上面的分析，現(xiàn)在我們來(lái)實(shí)作一段代碼，來(lái)描述這個(gè)帶有虛函數(shù)的類的簡(jiǎn)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(shù)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;
?
? 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(yùn)行一下，看看結(jié)果是不是輸出3，如果不是，那么太陽(yáng)明天肯定是從西邊出來(lái)。現(xiàn)在一步一步開(kāi)始分析
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void (*fun)(A*);? 這段定義了一個(gè)函數(shù)指針名字叫做fun，而且有一個(gè)A*類型的參數(shù)，這個(gè)函數(shù)指針待會(huì)兒用來(lái)保存從vtbl里取出的函數(shù)地址
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A* p=new B;? 這個(gè)我不太了解，算了，不解釋這個(gè)了
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long lVptrAddr;? 這個(gè)long類型的變量待會(huì)兒用來(lái)保存vptr的值
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memcpy(&lVptrAddr,p,4);? 前面說(shuō)了，他們的實(shí)例對(duì)象里只有vptr指針，所以我們就放心大膽地把p所指的4bytes內(nèi)存里的東西復(fù)制到lVptrAddr中，所以復(fù)制出來(lái)的4bytes內(nèi)容就是vptr的值，即vtbl的地址
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現(xiàn)在有了vtbl的地址了，那么我們現(xiàn)在就取出vtbl第一個(gè)slot里的內(nèi)容
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memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4);? 取出vtbl第一個(gè)slot里的內(nèi)容，并存放在函數(shù)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(zhuǎn)變成指針類型
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fun(p);? 這里就調(diào)用了剛才取出的函數(shù)地址里的函數(shù)，也就是調(diào)用了B::fun()這個(gè)函數(shù)，也許你發(fā)現(xiàn)了為什么會(huì)有參數(shù)p,其實(shí)類成員函數(shù)調(diào)用時(shí)，會(huì)有個(gè)this指針，這個(gè)p就是那個(gè)this指針，只是在一般的調(diào)用中編譯器自動(dòng)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(gè)我不太了解，算了，不解釋這個(gè)了
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如果調(diào)用B::fun2()怎么辦？那就取出vtbl的第二個(gè)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?yàn)橐粋€(gè)指針的長(zhǎng)度是4bytes，所以加4。或者memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr)+1,4); 這更符合數(shù)組的用法，因?yàn)閘VptrAddr被轉(zhuǎn)成了long*型別，所以+1就是往后移sizeof(long)的長(zhǎng)度
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三，? 以一段代碼開(kāi)始
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#include<iostream>
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using namespace std;
?
class A{?? //虛函數(shù)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(shù)示例代碼2
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int main(){
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void (A::*fun)();? //定義一個(gè)函數(shù)指針
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A *p=new B;
?
fun=&A::fun;
?
(p->*fun)();
?
fun = &A::fun2;
?
(p->*fun)();
?
delete p;
?
system("pause");
?
}
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你能估算出輸出結(jié)果嗎？如果你估算出的結(jié)果是A::fun和A::fun2，呵呵，恭喜恭喜，你中圈套了。其實(shí)真正的結(jié)果是B::fun和B::fun2，如果你想不通就接著往下看。給個(gè)提示，&A::fun和&A::fun2是真正獲得了虛函數(shù)的地址嗎？
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首先我們回到第二部分，通過(guò)段實(shí)作代碼，得到一個(gè)“通用”的獲得虛函數(shù)地址的方法
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#include<iostream>
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using namespace std;
?
//將上面“虛函數(shù)示例代碼2”添加在這里
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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); //調(diào)用
?
}
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int main(){
?
?? A* p=new B;
?
?? CallVirtualFun(p);? //調(diào)用虛函數(shù)p->fun()
?
?? CallVirtualFun(p,1);//調(diào)用虛函數(shù)p->fun2()
?
?? system("pause");
?
}
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現(xiàn)在我們擁有一個(gè)“通用”的CallVirtualFun方法。
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這個(gè)通用方法和第三部分開(kāi)始處的代碼有何聯(lián)系呢？聯(lián)系很大。由于A::fun()和A::fun2()是虛函數(shù)，所以&A::fun和&A::fun2獲得的不是函數(shù)的地址，而是一段間接獲得虛函數(shù)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(shí)，會(huì)提供類似于CallVirtualFun這樣的代碼，當(dāng)你調(diào)用虛函數(shù)時(shí)，其實(shí)就是先調(diào)用的那段類似CallVirtualFun的代碼，通過(guò)這段代碼，獲得虛函數(shù)地址后，最后調(diào)用虛函數(shù)，這樣就真正保證了多態(tài)性。同時(shí)大家都說(shuō)虛函數(shù)的效率低，其原因就是，在調(diào)用虛函數(shù)之前，還調(diào)用了獲得虛函數(shù)地址的代碼。
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最后的說(shuō)明：本文的代碼可以用VC6和Dev-C++4.9.8.0通過(guò)編譯，且運(yùn)行無(wú)問(wèn)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?yàn)椴煌木幾g器的低層實(shí)現(xiàn)是不同的。例如this指針，Dev-C++的gcc就是通過(guò)壓棧，當(dāng)作參數(shù)傳遞，而VC的編譯器則通過(guò)取出地址保存在ecx中。所以這些類比方法不能當(dāng)作具體實(shí)現(xiàn)。