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            yehao's Blog

            為什么說虛函數的效率低

            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。

              下面是對C++的虛函數這玩意兒的理解。

              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)

              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

              class A{

              public:

              void print(){ cout<<”This is A”<<endl;}

              };

              class B:public A{

              public:

              void print(){ cout<<”This is B”<<endl;}

              };

              int main(){ //為了在以后便于區分,我這段main()代碼叫做main1

              A a;

              B b;

              a.print();

              b.print();

              }

              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。

              int main(){ //main2

              A a;

              B b;

              A* p1=&a;

              A* p2=&b;

              p1->print();

              p2->print();

              }

              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

              class A{

              public:

              virtual void print(){ cout<<”This is A”<<endl;} //現在成了虛函數了

              };

              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?

              };

              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。

              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。

              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。

              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)

              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

              class A{ //虛函數示例代碼

              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

              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

              A *p=new A;

              p->fun();

              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。

              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。

              #include<iostream>

              using namespace std;

              //將上面“虛函數示例代碼”添加在這里

              int main(){

              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");

              }

              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

              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

              A* p=new B; new B是向內存(內存分5個區:全局名字空間,自由存儲區,寄存器,代碼空間,棧)自由存儲區申請一個內存單元的地址然后隱式地保存在一個指針中.然后把這個地址附值給A類型的指針P.

              .

              long lVptrAddr; 這個long類型的變量待會兒用來保存vptr的值

              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

              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

              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

              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。

              delete p; 釋放由p指向的自由空間;

              system("pause"); 屏幕暫停;

              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

              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

              三, 以一段代碼開始

              #include<iostream>

              using namespace std;

              class A{ //虛函數示例代碼2

              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

              int main(){

              void (A::*fun)(); //定義一個函數指針

              A *p=new B;

              fun=&A::fun;

              (p->*fun)();

              fun = &A::fun2;

              (p->*fun)();

              delete p;

              system("pause");

              }

              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?

              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

              #include<iostream>

              using namespace std;

              //將上面“虛函數示例代碼2”添加在這里

              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");

              }

              現在我們擁有一個“通用”的CallVirtualFun方法。

              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。

              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

            本文來自CSDN博客,轉載請標明出處:http://blog.csdn.net/hujiangnet/archive/2008/11/01/3201746.aspx

            posted on 2011-05-06 13:02 厚積薄發 閱讀(389) 評論(0)  編輯 收藏 引用 所屬分類: C/C++

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