c 語言基礎 虛函式的概念

2021-08-02 16:22:20 字數 3871 閱讀 5369

虛函式聯絡到多型,多型聯絡到繼承。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。

下面是對c++的虛函式這玩意兒的理解。

一, 什麼是虛函式(如果不知道虛函式為何物,但有急切的想知道,那你就應該從這裡開始)

簡單地說,那些被virtual關鍵字修飾的成員函式,就是虛函式。虛函式的作用,用專業術語來解釋就是實現多型性(polymorphism),多型性是將介面與實現進行分離;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**

class a;

class b:public a;

int main()

通過class a和class b的print()這個介面,可以看出這兩個class因個體的差異而採用了不同的策略,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型性呢?no,多型還有個關鍵之處就是一切用指向基類的指標或引用來操作物件。那現在就把main()處的**改一改。

int main()

執行一下看看結果,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的物件但卻是呼叫的class a的print()函式,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式

class a;

class b:public a;

毫無疑問,class a的成員函式print()已經成了虛函式,那麼class b的print()成了虛函式了嗎?回答是yes,我們只需在把基類的成員函式設為virtual,其派生類的相應的函式也會自動變為虛函式。所以,class b的print()也成了虛函式。那麼對於在派生類的相應函式前是否需要用virtual關鍵字修飾,那就是你自己的問題了。

現在重新執行main2的**,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,指向基類的指標在操作它的多型類物件時,會根據不同的類物件,呼叫其相應的函式,這個函式就是虛函式。

二, 虛函式是如何做到的(如果你沒有看過《inside the c++ object model》這本書,但又急切想知道,那你就應該從這裡開始)

虛函式是如何做到因物件的不同而呼叫其相應的函式的呢?現在我們就來剖析虛函式。我們先定義兩個類

class a;

class b:public a;

由於這兩個類中有虛函式存在,所以編譯器就會為他們兩個分別插入一段你不知道的資料,並為他們分別建立乙個表。那段資料叫做vptr指標,指向那個表。那個表叫做vtbl,每個類都有自己的vtbl,vtbl的作用就是儲存自己類中虛函式的位址,我們可以把vtbl形象地看成乙個陣列,這個陣列的每個元素存放的就是虛函式的位址,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後,我們來分析下面的**

a *p=new a;

p->fun();

毫無疑問,呼叫了a::fun(),但是a::fun()是如何被呼叫的呢?它像普通函式那樣直接跳轉到函式的**處嗎?no,其實是這樣的,首先是取出vptr的值,這個值就是vtbl的位址,再根據這個值來到vtbl這裡,由於呼叫的函式a::fun()是第乙個虛函式,所以取出vtbl第乙個slot裡的值,這個值就是a::fun()的位址了,最後呼叫這個函式。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裡裝著對應類的虛函式位址,所以這樣虛函式就可以完成它的任務。

而對於class a和class b來說,他們的vptr指標存放在何處呢?其實這個指標就放在他們各自的例項物件裡。由於class a和class b都沒有資料成員,所以他們的例項物件裡就只有乙個vptr指標。通過上面的分析,現在我們來實作一段**,來描述這個帶有虛函式的類的簡單模型。

#include

using namespace std;

//將上面「虛函式示例**」新增在這裡

int main()用vc

或dev-c++編譯執行一下,看看結果是不是輸出3,如果不是,那麼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*); 這段定義了乙個函式指標名字叫做fun,而且有乙個a*型別的引數,這個函式指標待會兒用來儲存從vtbl裡取出的函式位址

a* p=new b; 這個我不太了解,算了,不解釋這個了

long lvptraddr; 這個long型別的變數待會兒用來儲存vptr的值

memcpy(&lvptraddr,p,4); 前面說了,他們的例項物件裡只有vptr指標,所以我們就放心大膽地把p所指的4bytes記憶體裡的東西複製到lvptraddr中,所以複製出來的4bytes內容就是vptr的值,即vtbl的位址

現在有了vtbl的位址了,那麼我們現在就取出vtbl第乙個slot裡的內容

memcpy(&fun,reinterpret_cast(lvptraddr),4); 取出vtbl第乙個slot裡的內容,並存放在函式指標fun裡。需要注意的是lvptraddr裡面是vtbl的位址,但lvptraddr不是指標,所以我們要把它先轉變成指標型別

fun(p); 這裡就呼叫了剛才取出的函式位址裡的函式,也就是呼叫了b::fun()這個函式,也許你發現了為什麼會有引數p,其實類成員函式呼叫時,會有個this指標,這個p就是那個this指標,只是在一般的呼叫中編譯器自動幫你處理了而已,而在這裡則需要自己處理。

delete p;和system("pause"); 這個我不太了解,算了,不解釋這個了

如果呼叫b::fun2()怎麼辦?那就取出vtbl的第二個slot裡的值就行了

memcpy(&fun,reinterpret_cast(lvptraddr+4),4); 為什麼是加4呢?因為乙個指標的長度是4bytes,所以加4。或者memcpy(&fun,reinterpret_cast(lvptraddr)+1,4); 這更符合陣列的用法,因為lvptraddr被轉成了long*型別,所以+1就是往後移sizeof(long)的長度

三, 以一段**開始

#include

using namespace std;

class a;

class b:public a; //end//虛函式示例**2

int main()

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是真正獲得了虛函式的位址嗎?

首先我們回到第二部分,通過段實作**,得到乙個「通用」的獲得虛函式位址的方法

#include

using namespace std;

//將上面「虛函式示例**2」新增在這裡

void callvirtualfun(void* pthis,int index=0)

int main()

現在我們擁有乙個「通用」的callvirtualfun方法。

這個通用方法和第三部分開始處的**有何聯絡呢?聯絡很大。由於a::fun()和a::fun2()是虛函式,所以&a::fun和&a::fun2獲得的不是函式的位址,而是一段間接獲得虛函式位址的一段**的位址,我們形象地把這段**看作那段callvirtualfun。編譯器在編譯時,會提供類似於callvirtualfun這樣的**,當你呼叫虛函式時,其實就是先呼叫的那段類似callvirtualfun的**,通過這段**,獲得虛函式位址後,最後呼叫虛函式,這樣就真正保證了多型性。同時大家都說虛函式的效率低,其原因就是,在呼叫虛函式之前,還呼叫了獲得虛函式位址的**。

最後的說明:本文的**可以用

vc6和dev-c++4.9.8.0通過編譯,且執行無問題。其他的編譯器小弟不敢保證。其中,裡面的模擬方法只能看成模型,因為不同的編譯器的低層實現是不同的。例如this指標,dev-c++的gcc就是通過壓棧,當作引數傳遞,而

vc的編譯器則通過取出位址儲存在ecx中。所以這些模擬方法不能當作具體實現

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