虚函数

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在某基类中声明为 virtual 并在一个或多个派生类中被重新定义的成员函数,用法格式为:virtual 函数返回类型 函数名(参数表) {函数体};实现多态性,通过指向派生类的基类指针或引用,访问派生类中同名覆盖成员函数。
中文名
虚函数
外文名
virtual function
定    义
virtual关键字修饰的成员函数
作    用
实现多态性
形象解释
求同存异
关    键
用指向基类指针或引用操作对象
声    明
virtual

虚函数定义

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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。
#include<iostream>
using namespace std;
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();
    return 0;
}


虚函数输出结果

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分别是“This is A”、“This is B”。
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,但这并不是多态性行为(使用的是不同类型的指针),没有用到虚函数的功能。现在把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();
    return 0;
}
运行一下看看结果,结果却是两个This is A(错)。
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;}
};
class B : public A
{
    public:
    void print(){cout<<"This is B"<<endl;}
};

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(语法上可加可不加,不加的话编译器会自动加上,但为了阅读方便和规范性,建议加上)。
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。

虚函数实现

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(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。
通过图1,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中第一个Slot的值即为第一个虚函数的地址(在不同的编译器下第一个vtbl布局不完全相同,在VS2008中第一个Slot的值为指向第一个虚函数的指针,而其他编译器中也可能出现第一个Slot中值为type_info对象的指针),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<iostream>
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<long*>(lVptrAddr),4);
    fun(p);
    delete p;
    system("pause");
    return 0;
}
用VC或Dev-C++编译运行一下,看看结果是不是输出3。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; new B是向内存(内存分5个区:全局名字空间,自由存储区,寄存器,代码空间,栈)自由存储区申请一个内存单元的地址然后隐式地保存在一个指针中.然后把这个地址赋值给A类型的指针P。
.
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; 释放由p指向的自由空间;
system("pause"); 屏幕暂停;
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(32位机上,64位长度8bytes),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。

虚函数代码示例

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#include<iostream>
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");
    return 0;
}
误区
你能估算出结果吗?如果你估算出的结果是A::fun和A::fun2,哈哈,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<iostream>
using namespace std;
//将上面“虚函数示例代码2”添加在这里
void CallVirtualFun(void*pThis,intindex=0)
{
    void(*funptr)(void*);
    long lVptrAddr;
    memcpy(&lVptrAddr,pThis,4);
    memcpy(&funptr,reinterpret_cast<long*>(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");
    return 0;
}
CallVirtualFun
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。
其他信息
定义虚函数的限制:(1)非类的成员函数不能定义为虚函数,类的成员函数中静态成员函数和构造函数也不能定义为虚函数,但可以将析构函数定义为虚函数。实际上,优秀的程序员常常把基类的析构函数定义为虚函数。因为,将基类的析构函数定义为虚函数后,当利用delete删除一个指向派生类定义的对象指针时,系统会调用相应的类的析构函数。而不将析构函数定义为虚函数时,只调用基类的析构函数。
(2)只需要在声明函数的类体中使用关键字“virtual”将函数声明为虚函数,而定义函数时不需要使用关键字“virtual”。
(3)当将基类中的某一成员函数声明为虚函数后,派生类中的同名函数(函数名相同、参数列表完全一致、返回值类型相关)自动成为虚函数。
(4)如果声明了某个成员函数为虚函数,则在该类中不能出现和这个成员函数同名并且返回值、参数个数、类型都相同的非虚函数。在以该类为基类派生类中,也不能出现和这个成员函数同名并且返回值、参数个数、类型都相同的非虚函数。
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。
最后说明
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。其他的编译器不敢保证。其中的类比方法只能看成模型,因为不同的编译器的底层实现是不同的。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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