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- C++虛函數(shù)探索筆記（1）——虛函數(shù)的簡單示例分析
- C++虛函數(shù)探索筆記（2）——虛函數(shù)與多繼承
- C++虛函數(shù)探索筆記（3）——延伸思考：虛函數(shù)應(yīng)用的一些其他情形
關(guān)注問題：
- 虛函數(shù)的作用
- 虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)原理
- 虛函數(shù)表在對(duì)象布局里的位置
- 虛函數(shù)的類的sizeof
- 純虛函數(shù)的作用
- 多級(jí)繼承時(shí)的虛函數(shù)表內(nèi)容
- 虛函數(shù)如何執(zhí)行父類代碼
- 多繼承時(shí)的虛函數(shù)表定位，以及對(duì)象布局
- 虛析構(gòu)函數(shù)的作用
- 虛函數(shù)在QT的信號(hào)與槽中的應(yīng)用
- 虛函數(shù)與inline修飾符，static修飾符
啰嗦兩句
虛函數(shù)在C++里的作用實(shí)在是非常非常的大，很多講述C++的文章都會(huì)講到它，要用好C++，就一定要學(xué)好虛函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)上可以google到很多很 多關(guān)于它的文章，這一次的學(xué)習(xí)，我不準(zhǔn)備去只是簡單的閱讀了解那些文章，而是希望通過編寫一些測試代碼，來對(duì)虛函數(shù)的一些實(shí)現(xiàn)機(jī)制，以及C++對(duì)象布局做 一下探索。
虛函數(shù)的簡單示例 ！
虛函數(shù)常常出現(xiàn)在一些抽象接口類定義里，當(dāng)然，還有一個(gè)更常見的“特例”，那就是虛析構(gòu)函數(shù)，后面會(huì)提到這個(gè)。
下面是一段關(guān)于虛函數(shù)的簡單代碼，演示了使用基類接口操作對(duì)象時(shí)的效果：
//Source filename: Win32Con.cpp #include <iostream> using namespace std; class parent1 { public: virtual int fun1()=0; }; class child1:public parent1 { public: virtual int fun1() { cout<<"child1::fun1()"<<endl; return 0; } }; class child2:public parent1 { public: virtual int fun1() { cout<<"child2::fun1()"<<endl; return 0; } }; void test_func1(parent1 *pp) { pp->fun1(); } int main(int argc, char* argv[]) { child1 co1; child2 co2; test_func1(&co1); test_func1(&co2); return 0; }
在上面的代碼里，類parent1是一個(gè)只具有純虛函數(shù)的接口類，這個(gè)類不能被實(shí)例化，它唯一的用途就是抽象一些特定的接口函數(shù)，當(dāng)然，在這里這個(gè)接口函數(shù)就是純虛函數(shù) parent1::fun1()。
而類child1和child2則是兩個(gè)從parent1繼承的類，我們要使用它定義具體的類實(shí)例，所以它實(shí)現(xiàn)了由parent1繼承得來的fun1接口，并且各自的實(shí)現(xiàn)是不同的。
函數(shù) test_func1 的參數(shù)是一個(gè)parent1類型的指針，它所要完成的功能就是調(diào)用這個(gè)parent1對(duì)象的fun1()函數(shù)。
讓我們編譯運(yùn)行一下上面的代碼，可以看到下面的輸出
| child1::fun1()
child2::fun1() |
很顯然，在兩次調(diào)用test_func1函數(shù)的時(shí)候，雖然傳入的參數(shù)都是一個(gè)parent1的指針，但是卻都分別執(zhí)行了child1和child2 各自的fun1函數(shù)！這就是C++里類的多態(tài)。然而，這一切是怎么發(fā)生的呢？test_func1函數(shù)怎么會(huì)知道應(yīng)該調(diào)用哪個(gè)函數(shù)的呢？我不準(zhǔn)備像其他人 一樣畫若干圖來說明，我準(zhǔn)備用具體某個(gè)編譯器產(chǎn)生的對(duì)象布局以及相應(yīng)的匯編代碼來說明這個(gè)過程（這個(gè)編譯器是vs2008里的vc9）。
我們先打開一個(gè)VS2008命令提示窗口，改變目錄到上面的代碼Win32Con.cpp所在目錄，輸入下面的命令：
| cl win32con.cpp /d1reportSingleClassLayoutchild |
上面的命令可以編譯win32con.cpp源碼，同時(shí)生成里面類名包含child 的類的對(duì)象布局(layout)
注意：d1reportSingleClassLayout和后面的child是相連的！
輸入上面的命令后看到的對(duì)象布局如下，紅色字為我添加的注釋
class child1 size(4): 子類child1的對(duì)象布局，只包含一個(gè)vfptr，大小為4字節(jié) +--- | +--- (base class parent1) 這是被嵌套的父類parent1的對(duì)象布局 0 | | {vfptr} | +--- +--- 這是child1的vfptr所指的虛函數(shù)表的布局，只包含一個(gè)函數(shù)的地址，就是child1的fun1函數(shù) child1::$vftable@: | &child1_meta | 0 0 | &child1::fun1 child1::fun1 this adjustor: 0 class child2 size(4): 子類child2的對(duì)象布局，只包含一個(gè)vfptr，大小為4字節(jié) +--- | +--- (base class parent1) 這是被嵌套的父類parent1的對(duì)象布局 0 | | {vfptr} | +--- +--- 這是child2的vfptr所指的虛函數(shù)表的布局，只包含一個(gè)函數(shù)的地址，就是child2的fun1函數(shù) child2::$vftable@: | &child2_meta | 0 0 | &child2::fun1 child2::fun1 this adjustor: 0
從上面的對(duì)象布局可以知道：
- 每個(gè)子對(duì)象都有一個(gè)隱藏的成員變量vfptr（你當(dāng)然不能用這個(gè)名字訪問到它），它的值是指向該子對(duì)象的虛函數(shù)表，而虛函數(shù)表里填寫的函數(shù)地址是該子對(duì)象的fun1函數(shù)地址。
- 對(duì)一個(gè)包含有虛函數(shù)的類做sizeof操作的時(shí)候，除了能直接看到的成員變量，還得增加4字節(jié)（在32位機(jī)器上），就是vfptr這個(gè)指針的大小。
所以當(dāng)test_func1進(jìn)行pp->fun1()調(diào)用的時(shí)候，會(huì)首先取出pp所指的內(nèi)存地址并按照parent1的內(nèi)存布局，獲取到 vfptr指針(由于pp在兩次調(diào)用中分別指向co1和co2所以這里取得的實(shí)際上是co1的vfptr和co2的vfptr)，然后從vfptr所指的 虛函數(shù)表第一項(xiàng)（現(xiàn)在也只有 1 項(xiàng)）取出作為將要調(diào)用的函數(shù)，由于co1和co2在各自的虛函數(shù)表里填寫了各自的fun1的地址，于是pp->fun1()最終就調(diào)用到了co1和 co2各自的fun1，輸出自然也就不同了。
讓我們看看test_func1的反匯編代碼：
void test_func1(parent1 *pp)
{
001C1530 push ebp
001C1531 mov ebp,esp
001C1533 sub esp,0C0h
001C1539 push ebx
001C153A push esi
001C153B push edi
001C153C lea edi,[ebp-0C0h]
001C1542 mov ecx,30h
001C1547 mov eax,0CCCCCCCCh
001C154C rep stos dword ptr es:[edi]
pp->fun1();
001C154E mov eax,dword ptr [pp] //取得pp的值放到eax，即對(duì)象的地址
//取得對(duì)象的vfptr地址放到edx(因?yàn)関fptr在對(duì)象布局里拍在第一）
001C1551 mov edx,dword ptr [eax]
001C1553 mov esi,esp
001C1555 mov ecx,dword ptr [pp]
001C1558 mov eax,dword ptr [edx] //取出vfptr的第一個(gè)虛函數(shù)的地址到eax
001C155A call eax //調(diào)用虛函數(shù)，即fun1()
至此，應(yīng)該比較清楚虛函數(shù)機(jī)制的基本實(shí)現(xiàn)了。然而，也許你還會(huì)有這些問題：
- 虛函數(shù)表是每個(gè)子對(duì)象都有的么？
- 虛函數(shù)是存在一個(gè)表里的，表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是怎樣的，如何定位表里哪個(gè)才是我們要調(diào)用的虛函數(shù)？
略作變化
讓我們對(duì)前面的代碼做以下修改：
- 定義一個(gè)普通類
- 修改parent類，在fun1前增加虛函數(shù)fun2
- 在child1里和child2里編寫fun2的具體實(shí)現(xiàn)，一個(gè)在fun1之前編寫，另外一個(gè)在之后編寫
修改后的編碼大致如下：
class parent1 { public: virtual int fun2()=0; virtual int fun1()=0; }; class child { int a; }; class child1:public parent1 { public: virtual int fun1() { cout<<"child1::fun1()"<<endl; return 0; } virtual int fun2() { cout<<"child1::fun2()"<<endl; return 0; } };
然后我們?cè)偈褂胏l命令以及/d1reportSingleClassLayout選項(xiàng)輸出相關(guān)的類對(duì)象布局情況：
class child size(4): //在普通類child里，看不到vfptr的身影！ +--- 0 | a +--- class child1 size(4): //child1的對(duì)象布局，和之前沒有變化！ +--- | +--- (base class parent1) 0 | | {vfptr} | +--- +--- //child1的虛函數(shù)表多了fun2，并且兩個(gè)虛函數(shù)在表里的順序相同于在parent類里聲明的順序 child1::$vftable@: | &child1_meta | 0 0 | &child1::fun2 1 | &child1::fun1 child1::fun1 this adjustor: 0 child1::fun2 this adjustor: 0
結(jié)論很明顯：
- 虛函數(shù)表指針vfptr只在類里有虛擬函數(shù)的時(shí)候才會(huì)存在
- 當(dāng)有多個(gè)虛函數(shù)的時(shí)候，虛函數(shù)在虛函數(shù)表里的順序由父類里虛函數(shù)的定義順序決定
并且我們還可以觀察到：
- 這個(gè)vfptr指針會(huì)放在類的起始處（這是必須的，vfptr在父類和子類的對(duì)象布局上必須一致！）
- 虛函數(shù)表是以一個(gè)NULL指針標(biāo)識(shí)結(jié)束
讓我們對(duì)這次簡單的示例代碼測試來做個(gè)小小總結(jié)：
- 有虛函數(shù)的類，一定會(huì)有一個(gè)虛函數(shù)表指針vfptr
- 這個(gè)vfptr指針會(huì)放在類的起始處
- 虛函數(shù)表里會(huì)按基類聲明虛函數(shù)的順序在vfptr里存放函數(shù)地址
- 虛函數(shù)表里存放的是函數(shù)地址是具體子類的實(shí)現(xiàn)函數(shù)的地址
- 調(diào)用虛函數(shù)的時(shí)候，是從vfptr所指的函數(shù)表里獲取到函數(shù)地址，然后才調(diào)用具體的代碼
Tags: C++, 虛函數(shù)
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on Friday, July 31st, 2009 at 4:02 PM and is filed under C++.
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