C++中虚函数的作用.docx
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C++中虚函数的作用
C++中虚函数的作用（多态的原理）
2009-04-1722:
02
■如果你期望衍生类别重新定义一个成员函数，那么你应该在基础类别中把此函数设为virtual。
■以单一指令唤起不同函数，这种性质称为Polymorphism，意思是"theabilitytoassumemanyforms"，也就是多态。
■虚拟函数是C++语言的Polymorphism性质以及动态绑定的关键。
■既然抽象类别中的虚拟函数不打算被调用，我们就不应该定义它，应该把它设为纯虚拟函数（在函数声明之后加上"=0"即可）。
■我们可以说，拥有纯虚拟函数者为抽象类别（abstractClass），以别于所谓的具象类别（concreteclass）。
■抽象类别不能产生出对象实体，但是我们可以拥有指向抽象类别之指针，以便于操作抽象类别的各个衍生类别。
■虚拟函数衍生下去仍为虚拟函数，而且可以省略virtual关键词。
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:
classA{
public:
voidprint（）{cout<<"ThisisA"<};
classB:
publicA{
public:
voidprint（）{cout<<"ThisisB"<};
intmain（）//为了在以后便于区分,我这段main（）代码叫做main1
{
Aa;
Bb;
a.print（）;
b.print（）;
}
通过classA和classB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ThisisA和ThisisB.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.
intmain（）//main2
{
Aa;
Bb;
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ThisisA.问题来了,p2明明指向的是classB的对象但却是调用的classA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.
classA{
public:
virtualvoidprint（）{cout<<"ThisisA"<};
classB:
publicA{
public:
voidprint（）{cout<<"ThisisB"<};
毫无疑问,classA的成员函数print（）已经成了虚函数,那么classB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,classB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ThisisA和ThisisB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《InsideTheC++ObjectModel》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:
classA{//虚函数示例代码
public:
virtualvoidfun（）{cout<<1<virtualvoidfun2（）{cout<<2<};
classB:
publicA{
public:
voidfun（）{cout<<3<voidfun2（）{cout<<4<};
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classA和classB服务.现在有了这个模型之后,我们来分析下面的代码:
A*p=newA;
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classA和classB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classA和classB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
usingnamespacestd;
//将上面"虚函数示例代码"添加在这里
intmain（）
{
void（*fun）（A*）;
A*p=newB;
longlVptrAddr;
memcpy（&lVptrAddr,p,4）;
memcpy（&fun,reinterpret_cast（lVptrAddr）,4）;
fun（p）;
deletep;
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=newB;这个我不太了解,算了,不解释这个了;
longlVptrAddr;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;
deletep;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
usingnamespacestd;
classA{//虚函数示例代码2
public:
virtualvoidfun（）{cout<<"A:
:
fun"<virtualvoidfun2（）{cout<<"A:
:
fun2"<};
classB:
publicA{
public:
voidfun（）{cout<<"B:
:
fun"<voidfun2（）{cout<<"B:
:
fun2"<};//end虚函数示例代码2
intmain（）
{
void（A:
:
*fun）（）;//定义一个函数指针
A*p=newB;
fun=&A:
:
fun;
（p->*fun）（）;
fun=&A:
:
fun2;
（p->*fun）（）;
deletep;
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
usingnamespacestd;
//将上面"虚函数示例代码2"添加在这里
voidCallVirtualFun（void*pThis,intindex=0）
{
void（*funptr）（void*）;
longlVptrAddr;
memcpy（&lVptrAddr,pThis,4）;
memcpy（&funptr,reinterpret_cast（lVptrAddr）+index,4）;
funptr（pThis）;//调用
}
intmain（）
{
A*p=newB;
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
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