C++虛函數(shù)探索筆記（2）——虛函數(shù)與多繼承
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
前面我們嘗試了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，接下來嘗試一個(gè)多級(jí)繼承的例子，以及一個(gè)多繼承的例子。主要涉及到以下問題：多級(jí)繼承時(shí)虛函數(shù)表的內(nèi)容是如何填寫的，如何在多級(jí)繼承的情況下調(diào)用某一級(jí)父類里的虛函數(shù)，以及在多繼承（多個(gè)父類）的情況下的對(duì)象布局。
多級(jí)繼承
在這里，多級(jí)繼承指的是有3層或者多層繼承關(guān)系的情形。讓我們看看下面的代碼：
//Source filename: Win32Con.cpp
#include <iostream>
using namespace std;
class parent1
{
public:
virtual int fun1(){cout<<"parent1::fun1()"<<endl;return 0;};
virtual int fun2()=0;
};
class child1:public parent1
{
public:
virtual int fun1()
{
cout<<"child1::fun1()"<<endl;
parent1::fun1();
return 0;
}
virtual int fun2()
{
cout<<"child1::fun2()"<<endl;
return 0;
}
};
class grandson:public child1
{
public:
virtual int fun2()
{
cout<<"grandson::fun2()"<<endl;
//parent1::fun2();
parent1::fun1();
child1::fun2();
return 0;
}
};
void test_func1(parent1 *pp)
{
pp->fun1();
pp->fun2();
}
int main(int argc, char* argv[])
{
grandson sunzi;
test_func1(&sunzi);
return 0;
這段代碼展示了三個(gè)class，分別是parent1，child1，grandson.
類parent1定義了兩個(gè)虛函數(shù)，其中fun2是一個(gè)純虛函數(shù)，這個(gè)類是一個(gè)不可實(shí)例化的抽象基類。
類child1繼承了parent1，并且對(duì)兩個(gè)虛函數(shù)fun1和fun2都編寫了實(shí)現(xiàn)的代碼，這個(gè)類可以被實(shí)例化。
類grandson繼承了child1，但是只對(duì)虛函數(shù)fun2編寫了實(shí)現(xiàn)的代碼。
此外，我們還改寫了test_func1函數(shù)，它的參數(shù)為parent1類型的指針，我們可以將parent1的子孫類作為這個(gè)函數(shù)的參數(shù)傳入。在這個(gè)函數(shù)里，我們將依次調(diào)用parent1類的兩個(gè)虛函數(shù)。
可以先通過閱讀代碼預(yù)測(cè)一下程序的輸出內(nèi)容。
程序的輸出內(nèi)容將是：
child1：：fun1（）
parent1：：fun1（）
grandson：：fun2（）
parent1：：fun1（）
child1：：fun2（）
先看第一行輸出child1：：fun1（），為什么會(huì)輸出它呢？我們定義的具體對(duì)象sunzi是grandson類型的，test_func1的參數(shù)類型是parent1類型。在調(diào)用這個(gè)虛函數(shù)的時(shí)候，是完成了一次怎樣的調(diào)用過程呢？
讓我們?cè)俅问褂胏l命令輸出這幾個(gè)類的對(duì)象布局：
class parent1 size(4):
+---
0 | {vfptr}
+---
parent1::$vftable@:
| &parent1_meta
| 0
0 | &parent1::fun1
1 | &parent1::fun2
parent1::fun1 this adjustor: 0
parent1::fun2 this adjustor: 0
class child1 size(4):
+---
| +--- (base class parent1)
0 | | {vfptr}
| +---
+---
child1::$vftable@:
| &child1_meta
| 0
0 | &child1::fun1
1 | &child1::fun2
child1::fun1 this adjustor: 0
child1::fun2 this adjustor: 0
class grandson size(4): //grandson的對(duì)象布局
+---
| +--- (base class child1)
| | +--- (base class parent1)
0 | | | {vfptr}
| | +---
| +---
+---
grandson::$vftable@: //grandson虛函數(shù)表的內(nèi)容
| &grandson_meta
| 0
0 | &child1::fun1
1 | &grandson::fun2
grandson::fun2 this adjustor: 0
因?yàn)槲覀儗?shí)例化的是一個(gè)grandson對(duì)象，讓我們看看它的對(duì)象布局。正如前面的例子一樣，里面只有一個(gè)vfptr指針，但是不一樣的卻是這個(gè)指針?biāo)傅奶摵瘮?shù)表的內(nèi)容：
第一個(gè)虛函數(shù)，填寫的是child1類的fun1的地址；第二個(gè)虛函數(shù)填寫的才是grandson類的fun2的地址。
很顯然我們可以得出這樣一個(gè)結(jié)論：在一個(gè)子對(duì)象的虛函數(shù)表里，每一個(gè)虛函數(shù)的實(shí)際運(yùn)行的函數(shù)地址，將填寫為在繼承體系里最后實(shí)現(xiàn)該虛函數(shù)的函數(shù)地址。
所以當(dāng)我們?cè)趖est_func1里調(diào)用了傳入的parent1指針的fun1函數(shù)的時(shí)候，我們實(shí)際執(zhí)行的是填寫在虛函數(shù)表里的child1：：fun1（），而調(diào)用fun2函數(shù)的時(shí)候，是從虛函數(shù)表里得到了grandson：：fun2函數(shù)的地址并調(diào)用之。在“程序輸出結(jié)果”表里的第一行和第三行結(jié)果證實(shí)了上述結(jié)論。
再看一下程序代碼部分的child1：：fun1（）的實(shí)現(xiàn)代碼，在第18行，我們有parent1：：fun1（）；這樣的語句，這行代碼輸出了運(yùn)行結(jié)果里的第二行，而在grandson：：fun2（）的實(shí)現(xiàn)代碼第35行的parent1：：fun1（）；以及第36行的child1：：fun2（）；則輸出了運(yùn)行結(jié)果里的第四行和第五行的內(nèi)容。這三行代碼展示了如何調(diào)用父類以及更高的祖先類里的虛函數(shù)。——事實(shí)上，這與調(diào)用父類的普通函數(shù)沒有任何區(qū)別。
在程序代碼的第34行，有一行被注釋了的內(nèi)容//parent1：：fun2（）；，之所以會(huì)注釋掉，是因?yàn)檫@樣的代碼是無法通過編譯的，因?yàn)樵趐arent1類里，fun2是一個(gè)“純虛函數(shù)”也就是說這個(gè)函數(shù)沒有代碼實(shí)體，在編譯的時(shí)候，鏈接器將無法找到fun2的目標(biāo)代碼從而報(bào)錯(cuò)。
其實(shí)有了對(duì)虛函數(shù)的正確的認(rèn)識(shí)，上面的多級(jí)繼承是很自然就能明白的。然而在多繼承的情況下，情況就有所不同了……
多繼承下虛函數(shù)的使用
假如一個(gè)類，它由多個(gè)父類繼承而來，而在不同的父類的繼承體系里，都存在虛函數(shù)的時(shí)候，這個(gè)類的對(duì)象布局又會(huì)是怎樣的？它又是怎樣定位虛函數(shù)的呢？
讓我們看看下面的代碼：
//Source filename: Win32Con.cpp
#include <iostream>
using namespace std;
class parent1
{
public:
virtual int fun1(){cout<<"parent1::fun1()"<<endl;return 0;};
};
class parent2
{
public:
virtual int fun2(){cout<<"parent2::fun2()"<<endl;return 0;};
};
class child1:public parent1,public parent2
{
public:
virtual int fun1()
{
cout<<"child1::fun1()"<<endl;
return 0;
}
virtual int fun2()
{
cout<<"child1::fun2()"<<endl;
return 0;
}
};
void test_func1(parent1 *pp)
{
pp->fun1();
}
void test_func2(parent2 *pp)
{
pp->fun2();
}
int main(int argc, char* argv[])
{
child1 chobj;
test_func1(&chobj);
test_func2(&chobj);
return 0;
}
這一次，我們有兩個(gè)父類，parent1和parent2，在parent1里定義了虛函數(shù)fun1，而在parent2里定義了虛函數(shù)fun2，然后我們有一個(gè)子類child1，在里面重新實(shí)現(xiàn)了fun1和 fun2兩個(gè)虛函數(shù)。然后我們編寫了test_func1函數(shù)來調(diào)用parent1類型對(duì)象的fun1函數(shù)，編寫了test_func2函數(shù)調(diào)用parent2對(duì)象的fun2函數(shù)。在main函數(shù)里我們實(shí)例化了一個(gè)child1類型的對(duì)象chobj，然后分別傳給test_func1和test_func2去執(zhí)行。
這段代碼的運(yùn)行結(jié)果非常簡(jiǎn)單就能看出來：
child1：：fun1（）
child1：：fun2（）
但是，讓我們看看對(duì)象布局吧：
class child1 size(8):
+---
| +--- (base class parent1)
0 | | {vfptr}
| +---
| +--- (base class parent2)
4 | | {vfptr}
| +---
+---
child1::$vftable@parent1@:
| &child1_meta
| 0
0 | &child1::fun1
child1::$vftable@parent2@:
| -4
0 | &child1::fun2
child1::fun1 this adjustor: 0
child1::fun2 this adjustor: 4
注意到?jīng)]？在child1的對(duì)象布局里，出現(xiàn)了兩個(gè)vfptr指針！
這兩個(gè)虛函數(shù)表指針分別繼承于parent1和parent2類，分別指向了不同的兩個(gè)虛函數(shù)表。
問題來了，當(dāng)我們使用test_func1調(diào)用parent1類的fun1函數(shù)的時(shí)候，調(diào)用個(gè)過程還比較好理解，可以從傳入的地址參數(shù)取得繼承自parent1的vfptr，從而執(zhí)行正確的fun1函數(shù)代碼，但是當(dāng)我們調(diào)用test_func2函數(shù)的時(shí)候，為什么程序可以自動(dòng)取得來自parent2的vfptr呢，從而得出正確的fun2函數(shù)的地址呢？
其實(shí)，這個(gè)工作是編譯器自動(dòng)根據(jù)實(shí)例的類型完成的，在編譯階段就已經(jīng)確定了在調(diào)用test_func2的時(shí)候，傳入的this指針需要增加一定的偏移（在這里則是第一個(gè)vfptr所占用的大小，也就是4字節(jié)）。
我們可以看看main函數(shù)里這部分代碼的反匯編代碼：
child1 chobj;
00F5162E 8D 4D F4 lea ecx,[chobj]
00F51631 E8 F5 FB FF FF call child1::child1 (0F5122Bh)
test_func1(&chobj);
00F51636 8D 45 F4 lea eax,[chobj]
00F51639 50 push eax
00F5163A E8 6F FB FF FF call test_func1 (0F511AEh)
00F5163F 83 C4 04 add esp,4
test_func2(&chobj);
00F51642 8D 45 F4 lea eax,[chobj]
00F51645 85 C0 test eax,eax
00F51647 74 0E je main+47h (0F51657h)
00F51649 8D 4D F4 lea ecx,[chobj]
00F5164C 83 C1 04 add ecx,4
00F5164F 89 8D 2C FF FF FF mov dword ptr [ebp-0D4h],ecx
00F51655 EB 0A jmp main+51h (0F51661h)
00F51657 C7 85 2C FF FF FF 00 00 00 00 mov dword ptr [ebp-0D4h],0
00F51661 8B 95 2C FF FF FF mov edx,dword ptr [ebp-0D4h]
00F51667 52 push edx
00F51668 E8 F6 FA FF FF call test_func2 (0F51163h)
00F5166D 83 C4 04 add esp,4
return 0;
從第4行至第5行，執(zhí)行的是test_func1函數(shù)，this指針指向 chobj （第2行l(wèi)ea ecx，[chobj]），但是調(diào)用test_func2函數(shù)的時(shí)候，this指針被增加了4（第14行）！于是，在test_func2執(zhí)行的時(shí)候，就可以從&chobj+4的地方獲得vfptr指針，從而根據(jù)parent2的對(duì)象布局得到了fun2的地址并執(zhí)行了。
為了證實(shí)這點(diǎn)，我們可以將代碼做如下的修改：
1： int main（int argc， char* argv[]）
2： {
3： child1 chobj；
4： test_func1（&chobj）；
5： test_func2（（parent2 *）（void *）&chobj）；
6： return 0；
7： }
8：
請(qǐng)注意紅色部分的變化，在講chobj傳入給test_func2之前，先用（void *）強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為無類型指針，再轉(zhuǎn)換為parent2 指針，這樣的轉(zhuǎn)換，顯然是可行的，因?yàn)閏hobj本身就是parent2的子類，然而，程序的執(zhí)行效果卻是：
child1：：fun1（）
child1：：fun1（）
執(zhí)行test_func2函數(shù)，調(diào)用的是parent2：：fun2，但是居然執(zhí)行的是child1：：fun1（）函數(shù)！！！
這中間發(fā)生了些什么呢？我們?cè)倏纯捶磪R編的代碼：
child1 chobj;
013D162E 8D 4D F4 lea ecx,[chobj]
013D1631 E8 F5 FB FF FF call child1::child1 (13D122Bh)
test_func1(&chobj);
013D1636 8D 45 F4 lea eax,[chobj]
013D1639 50 push eax
013D163A E8 6F FB FF FF call test_func1 (13D11AEh)
013D163F 83 C4 04 add esp,4
test_func2((parent2*)(void *)&chobj);
013D1642 8D 45 F4 lea eax,[chobj]
013D1645 50 push eax
013D1646 E8 18 FB FF FF call test_func2 (13D1163h)
013D164B 83 C4 04 add esp,4
return 0;
從調(diào)用test_func2的反匯編代碼可以看到，這一次ecx寄存器的值沒有做改變！所以在執(zhí)行test_func2的時(shí)候，將取得parent1對(duì)象布局里的vfptr，而這個(gè)vfptr所指的虛函數(shù)表里的第一項(xiàng)就是fun1，并且被填寫為child1：：fun1的地址了。所以才出現(xiàn)了child：：fun1的輸出內(nèi)容！顯然這里有一個(gè)隱藏的致命問題，加入parent1和parent2的第一個(gè)虛函數(shù)的參數(shù)列表不一致，這樣的調(diào)用顯然就會(huì)導(dǎo)致堆棧被破壞掉，程序99%會(huì)立即崩潰。之前的程序沒有崩潰并且成功輸出內(nèi)容，不過是因?yàn)閜arent1：：fun1（）和parent2：：fun2（）的參數(shù)列表一致的關(guān)系而已。
所以，千萬不要在使用一個(gè)多繼承對(duì)象的時(shí)候，將其類型信息丟棄，編譯器還需要依靠正確的類型信息，在使用虛函數(shù)的時(shí)候來得到正確的匯編代碼！