C++ 虚函数的作用

虚函数联系到多态,多态联系到继承. 所以本文中都是在继承层次上做文章. 没了继承,什么都没得谈.

 

下面是对C++的虚函数这玩意儿的理解.

 

一. 什么是虚函数(如果不知道虚函数为何物,但有急切的想知道,那你就应该从这里开始)

简单地说,那些被virtual关键字修饰的成员函数,就是虚函数. 虚函数的作用,用专业术语来解释就是实现多态性(Polymorphism),多态性是将接口与实现进行分离; 用形象的语言来解释就是实现以共同的方法,但因个体差异而采用不同的策略. 下面来看一段简单的代码:

class A{

public:

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

};

class B: public A{

public:

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

};

 

int main() //为了在以后便于区分,我这段main()代码叫做main1

{

A a;

B b;

a.print();

b.print();

}

通过class A和class B的print()这个接口,可以看出这两个class因个体的差异而采用了不同的策略,输出的结果也是我们预料中的,分别是This is A和This is B. 但这是否真正做到了多态性呢? No,多态还有个关键之处就是一切用指向基类的指针或引用来操作对象. 那现在就把main()处的代码改一改.

int main() //main2

{

A a;

B b;

A* p1=&a;

A* p2=&b;

p1->print();

p2->print();

}

运行一下看看结果,哟呵,蓦然回首,结果却是两个This is A. 问题来了,p2明明指向的是class B的对象但却是调用的class A的print()函数,这不是我们所期望的结果,那么解决这个问题就需要用到虚函数.

class A{

public:

virtual void print(){ cout<<"This is A"<<endl;} //现在成了虚函数了

};

class B: public A{

public:

void print(){ cout<<"This is B"<<endl;} //这里需要在前面加上关键字virtual吗?

};

毫无疑问,class A的成员函数print()已经成了虚函数,那么class B的print()成了虚函数了吗? 回答是Yes,我们只需在把基类的成员函数设为virtual,其派生类的相应的函数也会自动变为虚函数. 所以,class B的print()也成了虚函数. 那么对于在派生类的相应函数前是否需要用virtual关键字修饰,那就是你自己的问题了.

现在重新运行main2的代码,这样输出的结果就是This is A和This is B了.

现在来消化一下,我作个简单的总结,指向基类的指针在操作它的多态类对象时,会根据不同的类对象,调用其相应的函数,这个函数就是虚函数.

 

二. 虚函数是如何做到的(如果你没有看过《Inside The C++ Object Model》这本书,但又急切想知道,那你就应该从这里开始.)

虚函数是如何做到因对象的不同而调用其相应的函数的呢? 现在我们就来剖析虚函数.我们先定义两个类:

class A{ //虚函数示例代码

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;}

};

由于这两个类中有虚函数存在,所以编译器就会为他们两个分别插入一段你不知道的数据,并为他们分别创建一个表. 那段数据叫做vptr指针,指向那个表. 那个表叫做vtbl,每个类都有自己的vtbl,vtbl的作用就是保存自己类中虚函数的地址,我们可以把vtbl形象地看成一个数组,这个数组的每个元素存放的就是虚函数的地址,请看图

通过上图,可以看到这两个vtbl分别为class A和class B服务. 现在有了这个模型之后,我们来分析下面的代码:

A *p=new A;

p->fun();

毫无疑问,调用了A::fun(),但是A::fun()是如何被调用的呢? 它像普通函数那样直接跳转到函数的代码处吗? No,其实是这样的,首先是取出vptr的值,这个值就是vtbl的地址,再根据这个值来到vtbl这里,由于调用的函数A::fun()是第一个虚函数,所以取出vtbl第一个slot里的值,这个值就是A::fun()的地址了,最后调用这个函数. 现在我们可以看出来了,只要vptr不同,指向的vtbl就不同,而不同的vtbl里装着对应类的虚函数地址,所以这样虚函数就可以完成它的任务.

而对于class A和class B来说,他们的vptr指针存放在何处呢? 其实这个指针就放在他们各自的实例对象里. 由于class A和class B都没有数据成员,所以他们的实例对象里就只有一个vptr指针. 通过上面的分析,现在我们来实作一段代码,来描述这个带有虚函数的类的简单模型.

#include<iostream>

using namespace std;

// 将上面"虚函数示例代码"添加在这里

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++编译运行一下,看看结果是不是输出3,如果不是,那么太阳明天肯定是从西边出来. 现在一步一步开始分析:

void (*fun)(A*); 这段定义了一个函数指针名字叫做fun,而且有一个A*类型的参数,这个函数指针待会儿用来保存从vtbl里取出的函数地址;

A* p=new B; 这个我不太了解,算了,不解释这个了;

long lVptrAddr; 这个long类型的变量待会儿用来保存vptr的值;

memcpy(&lVptrAddr,p,4); 前面说了,他们的实例对象里只有vptr指针,所以我们就放心大胆地把p所指的4bytes内存里的东西复制到lVptrAddr中,所以复制出来的4bytes内容就是vptr的值,即vtbl的地址;

现在有了vtbl的地址了,那么我们现在就取出vtbl第一个slot里的内容;

memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4); 取出vtbl第一个slot里的内容,并存放在函数指针fun里. 需要注意的是lVptrAddr里面是vtbl的地址,但lVptrAddr不是指针,所以我们要把它先转变成指针类型;

fun(p); 这里就调用了刚才取出的函数地址里的函数,也就是调用了B::fun()这个函数,也许你发现了为什么会有参数p,其实类成员函数调用时,会有个this指针,这个p就是那个this指针,只是在一般的调用中编译器自动帮你处理了而已,而在这里则需要自己处理;

delete p; 和system("pause"); 这个我不太了解,算了,不解释这个了.

如果调用B::fun2()怎么办? 那就取出vtbl的第二个slot里的值就行了;

memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr+4),4); 为什么是加4呢? 因为一个指针的长度是4bytes,所以加4, 或者memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr)+1,4); 这更符合数组的用法,因为lVptrAddr被转成了long*型别,所以+1就是往后移sizeof(long)的长度.

 

三. 以一段代码开始

#include<iostream>

using namespace std;

class A{ //虚函数示例代码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 虚函数示例代码2

 

int main()

{

void (A::*fun)(); //定义一个函数指针

A *p=new B;

fun=&A::fun;

(p->*fun)();

fun = &A::fun2;

(p->*fun)();

delete p;

system("pause");

}

你能估算出输出结果吗? 如果你估算出的结果是A::fun和A::fun2,呵呵,恭喜恭喜,你中圈套了. 其实真正的结果是B::fun和B::fun2,如果你想不通就接着往下看. 给个提示,&A::fun和&A::fun2是真正获得了虚函数的地址吗?

首先我们回到第二部分,通过段实作代码,得到一个"通用"的获得虚函数地址的方法.

#include<iostream>

using namespace std;

// 将上面"虚函数示例代码2"添加在这里

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); //调用

}

 

int main()

{

A* p=new B;

CallVirtualFun(p); //调用虚函数p->fun()

CallVirtualFun(p,1);//调用虚函数p->fun2()

system("pause");

}

现在我们拥有一个"通用"的CallVirtualFun方法.

这个通用方法和第三部分开始处的代码有何联系呢? 联系很大. 由于A::fun()和A::fun2()是虚函数,所以&A::fun和&A::fun2获得的不是函数的地址,而是一段间接获得虚函数地址的一段代码的地址,我们形象地把这段代码看作那段CallVirtualFun. 编译器在编译时,会提供类似于CallVirtualFun这样的代码,当你调用虚函数时,其实就是先调用的那段类似CallVirtualFun的代码,通过这段代码,获得虚函数地址后,最后调用虚函数,这样就真正保证了多态性. 同时大家都说虚函数的效率低,其原因就是,在调用虚函数之前,还调用了获得虚函数地址的代码.

 

最后的说明: 本文的代码可以用VC6和Dev-C++4.9.8.0通过编译,且运行无问题. 其他的编译器小弟不敢保证. 其中,里面的类比方法只能看成模型,因为不同的编译器的低层实现是不同的. 例如this指针,Dev-C++的gcc就是通过压栈,当作参数传递,而VC的编译器则通过取出地址保存在ecx中. 所以这些类比方法不能当作具体实现.