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虛函數
鎖定
虛函數定義
簡單地説,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,而採用不同的策略。下面來看一段簡單的代碼。
#include<iostream> using namespace std; class A { public: void print() { cout<<"This is A"<<endl; } }; class B : public A { public: void print() { cout<<"This is B"<<endl; } }; int main() { //為了在以後便於區分,我這段main()代碼叫做main1 A a; B b; a.print(); b.print(); return 0; }
虛函數輸出結果
分別是“This is A”、“This is B”。
通過class A和class B的print()這個接口,可以看出這兩個class因個體的差異而採用了不同的策略,但這並不是多態性行為(使用的是不同類型的指針),沒有用到虛函數的功能。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(); return 0; }
運行一下看看結果,結果卻是兩個This is A(錯)。
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,那麼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;} }; class B : public A { public: void print(){cout<<"This is B"<<endl;} };
毫無疑問,class A的成員函數print()已經成了虛函數,那麼class B的print()成了虛函數了嗎?回答是Yes,我們只需再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。那麼對於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(語法上可加可不加,不加的話編譯器會自動加上,但為了閲讀方便和規範性,建議加上)。
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。
虛函數實現
(如果你沒有看過《Inside The C++ Object Model》這本書,但又急切想知道,那你就應該從這裏開始)
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?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;} };
由於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,併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。
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這裏,由於調用的函數A::fun()是第一個虛函數,所以取出vtbl中第一個Slot的值即為第一個虛函數的地址(在不同的編譯器下第一個vtbl佈局不完全相同,在VS2008中第一個Slot的值為指向第一個虛函數的指針,而其他編譯器中也可能出現第一個Slot中值為type_info對象的指針),這個值就是A::fun()的地址了,最後調用這個函數。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裏裝着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。
而對於class A和class B來説,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裏。由於class A和class B都沒有數據成員,所以他們的實例對象裏就只有一個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”添加在這裏 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"); return 0; }
用VC或Dev-C++編譯運行一下,看看結果是不是輸出3。現在一步一步開始分析。
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後隱式地保存在一個指針中.然後把這個地址賦值給A類型的指針P。
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long lVptrAddr; 這個long類型的變量待會兒用來保存vptr的值。
memcpy(&lVptrAddr,p,4); 前面説了,他們的實例對象裏只有vptr指針,所以我們就放心大膽地把p所指的4bytes內存裏的東西複製到lVptrAddr中,所以複製出來的4bytes內容就是vptr的值,即vtbl的地址。
有了vtbl的地址了,那麼我們就取出vtbl第一個slot裏的內容。
memcpy(&fun,reinterpret_cast(lVptrAddr),4); 取出vtbl第一個slot裏的內容,並存放在函數指針fun裏。需要注意的是lVptrAddr裏面是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); 這裏就調用了剛才取出的函數地址裏的函數,也就是調用了B::fun()這個函數,也許你發現了為什麼會有參數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,而在這裏則需要自己處理。
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()怎麼辦?那就取出vtbl的第二個slot裏的值就行了。
memcpy(&fun,reinterpret_cast(lVptrAddr+4),4); 為什麼是加4呢?因為一個指針的長度是4bytes(32位機上,64位長度8bytes),所以加4。或者memcpy(&fun,reinterpret_cast(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就是往後移sizeof(long)的長度。
虛函數代碼示例
#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"); return 0; }
誤區
你能估算出結果嗎?如果你估算出的結果是A::fun和A::fun2,哈哈,恭喜恭喜,你中圈套了。其實真正的結果是B::fun和B::fun2,如果你想不通就接着往下看。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”添加在這裏 void CallVirtualFun(void*pThis,intindex=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"); return 0; }
CallVirtualFun
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繫呢?聯繫很大。由於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,會提供類似於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,獲得虛函數地址後,最後調用虛函數,這樣就真正保證了多態性。同時大家都説虛函數的效率低,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。
定義虛函數的限制:(1)非類的成員函數不能定義為虛函數,類的成員函數中靜態成員函數和構造函數也不能定義為虛函數,但可以將析構函數定義為虛函數。實際上,優秀的程序員常常把基類的析構函數定義為虛函數。因為,將基類的析構函數定義為虛函數後,當利用delete刪除一個指向派生類定義的對象指針時,系統會調用相應的類的析構函數。而不將析構函數定義為虛函數時,只調用基類的析構函數。
(2)只需要在聲明函數的類體中使用關鍵字“virtual”將函數聲明為虛函數,而定義函數時不需要使用關鍵字“virtual”。
(4)如果聲明瞭某個成員函數為虛函數,則在該類中不能出現和這個成員函數同名並且返回值、參數個數、類型都相同的非虛函數。在以該類為基類的派生類中,也不能出現和這個成員函數同名並且返回值、參數個數、類型都相同的非虛函數。
虛函數聯繫到多態,多態聯繫到繼承。所以本文中都是在繼承層次上做文章。沒了繼承,什麼都沒得談。
最後説明