C++虛函數(shù)探索筆記（1）——虛函數(shù)的簡單示例分析

    關(guān)注問題：

    虛函數(shù)的作用

    虛函數(shù)的實現(xiàn)原理

    虛函數(shù)表在對象布局里的位置

    虛函數(shù)的類的sizeof

    純虛函數(shù)的作用

    多級繼承時的虛函數(shù)表內(nèi)容

    虛函數(shù)如何執(zhí)行父類代碼

    多繼承時的虛函數(shù)表定位，以及對象布局

    虛析構(gòu)函數(shù)的作用

    虛函數(shù)在QT的信號與槽中的應(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++里的作用是在是非常非常的大，很多講述C++的文章都會講到它

，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，來對虛函數(shù)的一些實現(xiàn)機制，以及C++對象布局做一下探索。

    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，還有一個更常見的“特例

”，那就是虛析構(gòu)函數(shù)，后面會提到這個。

    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象時的效果

：
 //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是一個只具有純虛函數(shù)的接口類，這個類不能被

實例化，它唯一的用途就是抽象一些特定的接口函數(shù)，當(dāng)然，在這里這個接口函

數(shù)就是純虛函數(shù) parent1：：fun1（）。

    而類child1和child2則是兩個從parent1繼承的類，我們要使用它定義具體的

類實例，所以它實現(xiàn)了由parent1繼承得來的fun1接口，并且各自的實現(xiàn)是不同的

。

    函數(shù) test_func1 的參數(shù)是一個parent1類型的指針，它所要完成的功能就是

調(diào)用這個parent1對象的fun1（）函數(shù)。

    讓我們編譯運行一下上面的代碼，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)的時候，雖然傳入的參數(shù)都是一個

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)怎么會知道應(yīng)該

調(diào)用哪個函數(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

編譯器產(chǎn)生的對象布局以及相應(yīng)的匯編代碼來說明這個過程（這個編譯器是

vs2008里的vc9）。

    我們先打開一個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，同時生成里面類名包含child 的類

的對象布局（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象布局如下，紅色字為我添加的注釋
 class child1    size(4): 子類child1的對象布局，只包含一個vfptr，大小為

4字節(jié)
        +---
        | +--- (base class parent1) 這是被嵌套的父類parent1的對象布局
 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的對象布局，只包含一個vfptr，大小為4

字節(jié)
        +---
        | +--- (base class parent1) 這是被嵌套的父類parent1的對象布局
 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

    從上面的對象布局可以知道：

    每個子對象都有一個隱藏的成員變量vfptr（你當(dāng)然不能用這個名字訪問到它

），它的值是指向該子對象的虛函數(shù)表，而虛函數(shù)表里填寫的函數(shù)地址是該子對

象的fun1函數(shù)地址。

    對一個包含有虛函數(shù)的類做sizeof操作的時候，除了能直接看到的成員變量，還得增加4字節(jié)（在32位機器上），就是vfptr這個指針的大小。

    所以當(dāng)test_func1進(jìn)行pp->fun1（）調(diào)用的時候，會首先取出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（現(xiàn)在也只有 1 項）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，即對象的地址 //取得對象的vfptr地址放到edx(因為vfptr在對象布局里拍在第一） 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)機制的基本實現(xiàn)了。然而，也許你還會有這些問題：

    虛函數(shù)表是每個子對象都有的么？

    虛函數(shù)是存在一個表里的，表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是怎樣的，如何定位表里哪個才是我們要調(diào)用的虛函數(shù)？

    略作變化

    讓我們對前面的代碼做以下修改：

    定義一個普通類

    修改parent類，在fun1前增加虛函數(shù)fun2

    在child1里和child2里編寫fun2的具體實現(xiàn)，一個在fun1之前編寫，另外一個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;     } };

    然后我們再使用cl命令以及/d1reportSingleClassLayout選項輸出相關(guān)的類對象布局情況：

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)的時候才會存在當(dāng)有多個虛函數(shù)的時候，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vfptr指針會放在類的起始處（這是必須的，vfptr在父類和子類的對象布局上必須一致！）

    虛函數(shù)表是以一個NULL指針標(biāo)識結(jié)束讓我們對這次簡單的示例代碼測試來做個小小總結(jié)：

    有虛函數(shù)的類，一定會有一個虛函數(shù)表指針vfptr這個vfptr指針會放在類的起始處虛函數(shù)表里會按基類聲明虛函數(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現(xiàn)函數(shù)的地址調(diào)用虛函數(shù)的時候，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。