对C++的虚函数的理解

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


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(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(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(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(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


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


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(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