文档章节

C++ 虚函数和虚继承浅析

吃一堑消化不良
 吃一堑消化不良
发布于 2016/11/21 19:28
字数 2950
阅读 24
收藏 3

一、虚函数

定义: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

语法:virtual 函数返回类型 函数名(参数表) { 函数体 }

用途:实现多态性,通过指向派生类的基类指针,访问派生类中同名覆盖成员函数

        只有对虚函数的调用才能动态决定调用哪一个函数,这是相对于普通成员函数而言的,普通的成员函数在编译阶段就能确定调用哪一个函数。

#include <stdio.h>

class A {
public:
    void fn() { printf("fn in A\n"); }
    virtual void v_fn() { printf("virtual fn in A\n"); }
};

class B : public A {
public:
    void fn() { printf("fn in B\n"); }
    virtual void v_fn() { printf("virtual fn in B\n"); }
};

int main() {
    A *a = new B();
    a->fn();
    a->v_fn();
    return 0;
}

执行结果:

fn in A
virtual fn in B

        因为fn是普通成员函数,它是通过类A的指针调用的,所以在编译的时候就确定了调用A的fn函数。而v_fn是虚函数,编译时不能确定,而是在运行时再通过一些机制来调用指针所指向的实例(B的实例)中的v_fn函数。假如派生类B中没有实现(完全一样,不是重载)v_fn这个函数,那么依然会调用基类类A中的v_fn;如果它实现了,就可以说派生类B覆盖了基类A中的v_fn这个虚函数。这就是虚函数的表现和使用,只有通过虚函数,才能实现面向对象语言中的多态性。

       以上只是虚函数的表现和用途,下面来探讨它的实现机制。在此之前,先来看一个问题,还是以上的代码,基类A的大小为多少呢?A中一个成员变量都没有,有人可能会说是0。0是绝对错误的,因为在C++中,即时是空类,它的大小也为1。当然1也是不对的,实际结果是4(32位系统),4刚好是一个int,一个指针(32位)的大小,派生类B的大小同样为4。这四个字节和实现多态,虚函数的机制有着很重要的关系。

      实际上指针a所指向的实例中有一个成员常量(const),它的名字叫做vftable,全称叫virtual function table(虚函数表)。它实际指向了一个数组,数组里面保存的是一系列函数指针,而上面的程序中,这个表只有一项,它就是派生类B中的v_fn函数入口地址。假如我们用一个A的指针指向一个A的实例呢?它同样有一个vftable,而它指向的表中也只有一项,这项保存的基类的v_fn函数入口地址。这用代码表示,就类似于下面这样:

void* vftable_of_A[] = {
    A::v_fn,
    ...
};

class A {
    const void* vftable = vftable_of_A;
    virtual void v_fn() {}
};

void* vftable_of_B[] = {
    B::v_fn,
    ...
};

class B {
    const void *vftable = vftable_of_B;
    vritual void v_fn() {}
};

      上面vftable的类型之所以用void*表示,实际上一个类中所有虚函数的地址都被放到这个表中,不同虚函数对应的函数指针类型不尽相同,所以这个表用C++的类型不好表述,但是在机器级里都是入口地址,即一个32位的数字(32位系统),等到调用时,因为编译器预先知道了函数的参数类型,返回值等,可以自动做好处理。

      这样我们就能更好的理解虚函数和多态了。第一个代码中,a指针虽然是A*类型的,但是它却调用了B中的v_fn,因为不管是A类,还是A的基类,都会有一个变量vftable,它指向的虚函数表中保存了正确的v_fn入口。所以a->v_fn()实际做的工作就是从a指向的实例中取出vftable的值,然后找到虚函数表,再从表中去的v_fn的入口,进行调用。不管a是指向A的实例,还是指向B的实例,a->fn()所做的步骤都是上面说的一样,只是A的实例和B的实例有着不同的虚函数表,虚函数表里也保存着可能不同的虚函数入口,所以最终将进入不同的函数调用中。通过表来达到不用判断类型,亦可实现多态的作用。还有一点指的提醒的是,因为虚函数表是一个常量表,在编译时,编译器会自动生成,并且不会改变,所以如果有多个B类的实例,每个实例中都会有一个vftable指针,但是它们指向的是同一个虚函数表。

      上面一段中说到了,A和B的实例有着不同的虚函数表,但是虚函数表中只是可能保存着不同的v_fn,那是因为C++允许派生类不覆盖基类中的虚函数,意思就是假如派生类B中没有实现v_fn这个函数(不是重载),那么B的实例的虚函数表会保存着基类A中v_fn的入口地址。也就是说B类不实现v_fn函数,但是它同样提供了这个接口,实际上是调用基类A中的v_fn。假如某个类只是一个抽象类,抽象出一些列接口,但是又不能实现这些接口,而要有派生类来实现,那么就可以把这些接口声明为纯虚函数,包含有纯虚函数的类称为抽象类。纯虚函数是一类特殊的虚函数,它的声明方式如下:

class A {
public:
  virtual 返回值 函数名(参数表)= 0;
};

       在虚函数声明方式后加一个“=0”,并且不提供实现。抽象类不允许实例化(这样做编译器会报错,因为有成员函数没有实现,编译器不知道怎么调用)。纯虚函数的实现机制和虚函数类似,只是要求派生类类必须自己实现一个(也可以不实现,但是派生类也会是个抽象类,不能实例化)。

二、虚继承

        C++支持多重继承,这和现实生活很类似,任何一个物体都不可能单一的属于某一个类型。就像马,第一想到的就是它派生自动物这个基类,但是它在某系地方可不可以说也派生自交通工具这一个基类呢?所以C++的多重继承很有用,但是又引入了一个问题。动物和交通工具都是从最根本的基类——“事物”继承而来,事物包含了两个最基本的属性,体积和质量。那么动物和交通工具都保存了基类成员变量——体积和质量的副本。而马有继承了这两个类,那么马就有两份体积和质量,这是不合理的,如果编译器无法确定使用哪一个,那就会报错。

class A {
public:
    int a;
};

class B : public A {
};

class C : public A {
};

class D : public B, public C {
};

int main() {
    D d;
    d.a = 1;
    return 0;
}

       如上所示代码一般不会报错,但是一旦使用D中的a,就会报一个“对a的访问不明确”。虚继承就可以解决这个问题。在探讨虚函数之前,先来一个sizeof的问题。

#include <stdio.h>

class A {
public:
    int a;
};

class B : virtual public A {
};

int main() {
    printf("%d\n", sizeof(B));
    return 0;
}

       B的大小是?首先回答0的是绝对错的,理由我之前都说了。1也是错的,不解释。4也是错的,如果B不是虚继承自A的,那么4就是对的。正确答案是8,B虚继承A了之后,比预想中的多了4个字节,这是怎么回事呢?这个通过调试是看不出来的,因为看不到类似于vftable的成员变量。

       虚继承的提出就是为了解决多重继承时,可能会保存两份副本的问题,也就是说用了虚继承就只保留了一份副本,但是这个副本是被多重继承的基类所共享的,该怎么实现这个机制呢?编译器会在派生类B的实例中保存一个A的实例,然后在B中加入一个指针,这个指针指向一个表vbtable,vbtable表中保存着所有虚继承的基类在实例中的offset值,多个B的实例共享这个表,每个实例有个单独的指针指向这个表,这样就很好理解为什么多了4个字节了。用代码表示就像下面这样。

class A {
public:
    ...
};

int vbtable_of_B[] = {
  offset(B::_a),
    ...
};

class B :virtual public A{
private:
    const int* vbtable = vbtable_of_B;
    A _a;
};

       每一个A的虚派生类,都会有自己的vbtable表,这个派生类的所有实例共享这个表,然后每个实例各自保存了一个指向vbtable表的指针。假如还有一个类C虚继承了A,那么编译器就会为它自动生成一个vbtable_of_C的表,然后C的实例都会有一个指向这个vbtable表的指针。

       假如有多级的虚继承会发生什么情况,就像下面这段代码一样:

#include <stdio.h>

class A {
public:
    int a;
};

class B : virtual public A {
public:
  int b;
};

class C : virtual public B {
};

int main() {
    printf("%d\n", sizeof(C));
    return 0; 
}

      程序运行的结果是16,按照之前的理论,大概会这么想。基类A里有1个变量,4个字节。B类虚继承了A,所以它有一个A的副本和一个vbtable,还有自己的一个变量,那就是12字节。然后C类又虚继承了B类,那么它有一个B的副本,一个vbtable,16字节。但实际上通过调试和反汇编发现,C中保存分别保存了A和B的副本(不包括B类的vbtable),8字节。然后有一个vbtable指针,4字节,表里面包含了A副本和B副本的偏移量。最后还有一个无用的4字节(?),一共16字节。不仅是这样,每经过一层的虚继承,便会多出4字节。这个多出来的四字节在反汇编中没发现实际用途,所以这个有待探讨,不管是编译器不够智能,还是有待其它作用,虚继承和多重继承都应该谨慎使用。

       还是以上面的例子,假如C类是直接继承B类,而不是使用虚继承,那么C类的大小为12字节。它里面是直接保存了A和B的副本(不包含B的vbtable),然后还有一个自己的vbtable指针,所以一共12字节,没有了上一段所说的最后的4个字节。但是如果想下面一种继承,会是什么情况?

#include <stdio.h>

class A {
public:
    int a;
};

class B : virtual public A {
};

class C : virtual public A {
};

class D : public B, public C{
};

int main() {
    printf("%d\n", sizeof(D));
    return 0; 
}

       D从B,C类派生出来,而B和C又同时虚继承了A。输出的结构是12,实际调试反汇编的时候发现,D中继承了B和C的vbtable,这就是8字节,而同时还保存了一个A的副本,4字节,总共12字节。它和上面的多重虚继承例子里的12字节是不一样的。之前一个例子中只有一个vbtable,一个A的实例,末尾还有一个未知的4字节。而这个例子中是有两个仅挨着的vbtable(都有效)和一个A的实例。

本文转载自:http://www.codeceo.com/article/cpp-virtual-functions-and-virtual-inheritance.html

共有 人打赏支持
上一篇: C fcntl函数
下一篇: Vim 经典插件介绍
吃一堑消化不良
粉丝 28
博文 187
码字总数 112458
作品 0
浦东
程序员
私信 提问
跟我一起学习C++虚函数--第四篇

在前一篇,我们讨论了在多继承情况下,具有虚函数的类的内存布局情况。本篇将进一步探索在多重继承,即具有重复继承的情况下的内存布局情况。在阅读本篇和下一篇之前,建议先阅读本博客另一篇...

pathenon
2012/07/15
0
4
跟我一起学习C++虚函数--第五篇

在前一篇,我们讨论了在多重继承情况下,具有虚函数的类的内存布局情况。本篇将进一步探索在多重虚拟继承情况下的内存布局情况。 在讨论多重虚拟继承前,我们先对《浅析GCC下C++多重继承 & ...

pathenon
2012/07/15
0
0
跟我一起学习C++虚函数--第一篇

我们知道,虚函数作为C++实现多态的方式,具有强大的RTTI(RunTime Type Identification)功能。虚函数使用起来比较简单,但是也很容易出错。本系列将带着你一步一步了解虚函数的内部实现机制...

pathenon
2012/07/14
0
1
C++灵魂所在之---多态的前世与今生

开头先送大家一句话吧: 众所周知,在20世纪80年代早期,C++在贝尔实验室诞生了,这是一门面向对象的语言,但它又不是全新的面向对象的语言,它是在传统的语言(C语言)进行面向对象扩展而来...

loving_forever_
2016/06/13
0
0
static_cast与dynamic_cast转换

一 C语言中存在着两种类型转换: 隐式转换和显式转换 隐式转换:不同数据类型之间赋值和运算,函数调用传递参数……编译器完成 char ch; int i = ch; 显示转换:在类型前增加 :(Type)变量...

j_m
2012/06/27
0
0

没有更多内容

加载失败,请刷新页面

加载更多

Vue.js 3.0 新特性预览

Evan You(尤雨溪)(2018年11月16日)前几日的早上在 Vue Toronto 的主题演讲中预演了 Vue 3 。 利用现代浏览器支持的新功能,Vue 3 将成为我们已经了解和喜爱的 Vue.js 强大的的改进版本。...

我的卡
12分钟前
1
0
Mybatis自带连接池阅读

1、数据源初始化,初始化入口由SqlSessionFactoryBuilder.build(InputStream inputStream, String environment, Properties properties)方法提供 public SqlSessionFactory build(InputStre......

jcc_codingBoy
18分钟前
1
0
Oracle 数据库勒索病毒 RushQL 处理办法

Oracle 数据库勒索病毒 RushQL 处理办法 办法来自Oracle 官方: https://blogs.oracle.com/cnsupport_news/%E5%AF%B9%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%BA%93%E7%9A%84%E2%80%9C%E6%AF%94%E7%89%B9%E5%......

rootliu
19分钟前
2
0
聊聊flink LocalEnvironment的execute方法

序 本文主要研究一下flink LocalEnvironment的execute方法 实例 final ExecutionEnvironment env = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment(); DataSet<RecordDto>......

go4it
22分钟前
1
0
Spring Boot中对自然语言处理工具包hanlp的调用详解

概 述 HanLP 是基于 Java开发的 NLP工具包,由一系列模型与算法组成,目标是普及自然语言处理在生产环境中的应用。而且 HanLP具备功能完善、性能高效、架构清晰、语料时新、可自定义的特点,...

左手的倒影
28分钟前
1
0

没有更多内容

加载失败,请刷新页面

加载更多

返回顶部
顶部