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C++學習筆記(五)--虛函數(shù)表解析

系統(tǒng) 2840 0

前言

C++ 中的虛函數(shù)的作用主要是實現(xiàn)了多態(tài)的機制。關(guān)于多態(tài),簡而言之就是用父類型別的指針指向其子類的實例,然后通過父類的指針調(diào)用實際子類的成員函數(shù)。這種技術(shù)可以讓父類的指針有“多種形態(tài)”,這是一種泛型技術(shù)。所謂泛型技術(shù),說白了就是試圖使用不變的代碼來實現(xiàn)可變的算法。比如:模板技術(shù), RTTI 技術(shù),虛函數(shù)技術(shù),要么是試圖做到在編譯時決議,要么試圖做到運行時決議。

關(guān)于虛函數(shù)的使用方法,我在這里不做過多的闡述。大家可以看看相關(guān)的 C++ 的書籍。在這篇文章中,我只想從虛函數(shù)的實現(xiàn)機制上面為大家 一個清晰的剖析。

當然,相同的文章在網(wǎng)上也出現(xiàn)過一些了,但我總感覺這些文章不是很容易閱讀,大段大段的代碼,沒有圖片,沒有詳細的說明,沒有比較,沒有舉一反三。不利于學習和閱讀,所以這是我想寫下這篇文章的原因。也希望大家多給我提意見。

言歸正傳,讓我們一起進入虛函數(shù)的世界。

虛函數(shù)表

C++ 了解的人都應(yīng)該知道虛函數(shù)( Virtual Function )是通過一張?zhí)摵瘮?shù)表( Virtual Table )來實現(xiàn)的。簡稱為 V-Table 。在這個表中,主是要一個類的虛函數(shù)的地址表,這張表解決了繼承、覆蓋的問題,保證其容真實反應(yīng)實際的函數(shù)。這樣,在有虛函數(shù)的類的實例中這個表被分配在了這個實例的內(nèi)存中,所以,當我們用父類的指針來操作一個子類的時候,這張?zhí)摵瘮?shù)表就顯得由為重要了,它就像一個地圖一樣,指明了實際所應(yīng)該調(diào)用的函數(shù)。

這里我們著重看一下這張?zhí)摵瘮?shù)表。 C++ 的編譯器應(yīng)該是保證虛函數(shù)表的指針存在于對象實例中最前面的位置(這是為了保證取到虛函數(shù)表的有最高的性能——如果有多層繼承或是多重繼承的情況下)。 這意味著我們通過對象實例的地址得到這張?zhí)摵瘮?shù)表,然后就可以遍歷其中函數(shù)指針,并調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。

聽我扯了那么多,我可以感覺出來你現(xiàn)在可能比以前更加暈頭轉(zhuǎn)向了。 沒關(guān)系,下面就是實際的例子,相信聰明的你一看就明白了。

假設(shè)我們有這樣的一個類:

class Base {

public :

virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }

virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }

virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }

};

按照上面的說法,我們可以通過 Base 的實例來得到虛函數(shù)表。 下面是實際例程:

typedef void (*Fun)( void );

Base b;

Fun pFun = NULL;

cout << " 虛函數(shù)表地址: " << ( int *)(&b) << endl;

cout << " 虛函數(shù)表 第一個函數(shù)地址: " << ( int *)*( int *)(&b) << endl;

// Invoke the first virtual function

pFun = (Fun)*(( int *)*( int *)(&b));

pFun();

實際運行經(jīng)果如下: (Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)

虛函數(shù)表地址: 0012FED4

虛函數(shù)表 第一個函數(shù)地址: 0044F148

Base::f

通過這個示例,我們可以看到,我們可以通過強行把 &b 轉(zhuǎn)成 int * ,取得虛函數(shù)表的地址,然后,再次取址就可以得到第一個虛函數(shù)的地址了,也就是 Base::f() ,這在上面的程序中得到了驗證(把 int* 強制轉(zhuǎn)成了函數(shù)指針)。通過這個示例,我們就可以知道如果要調(diào)用 Base::g() Base::h() ,其代碼如下:

(Fun)*(( int *)*( int *)(&b)+0); // Base::f()

(Fun)*(( int *)*( int *)(&b)+1); // Base::g()

(Fun)*(( int *)*( int *)(&b)+2); // Base::h()

這個時候你應(yīng)該懂了吧。什么?還是有點暈。也是,這樣的代碼看著太亂了。沒問題,讓我畫個圖解釋一下。如下所示:

C++學習筆記(五)--虛函數(shù)表解析

注意:在上面這個圖中,我在虛函數(shù)表的最后多加了一個結(jié)點,這是虛函數(shù)表的結(jié)束結(jié)點,就像字符串的結(jié)束符“ /0 ”一樣,其標志了虛函數(shù)表的結(jié)束。這個結(jié)束標志的值在不同的編譯器下是不同的。在 WinXP+VS2003 下,這個值是 NULL 。而在 Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3 下,這個值是如果 1 ,表示還有下一個虛函數(shù)表,如果值是 0 ,表示是最后一個虛函數(shù)表。

下面,我將分別說明“無覆蓋”和“有覆蓋”時的虛函數(shù)表的樣子。沒有覆蓋父類的虛函數(shù)是毫無意義的。我之所以要講述沒有覆蓋的情況,主要目的是為了給一個對比。在比較之下,我們可以更加清楚地知道其內(nèi)部的具體實現(xiàn)。

一般繼承(無虛函數(shù)覆蓋)

下面,再讓我們來看看繼承時的虛函數(shù)表是什么樣的。假設(shè)有如下所示的一個繼承關(guān)系:

請注意,在這個繼承關(guān)系中,子類沒有重載任何父類的函數(shù)。那么,在派生類的實例中,其虛函數(shù)表如下所示:

對于實例: Derive d; 的虛函數(shù)表如下:

C++學習筆記(五)--虛函數(shù)表解析

我們可以看到下面幾點:

1) 虛函數(shù)按照其聲明順序放于表中。

2) 父類的虛函數(shù)在子類的虛函數(shù)前面。

我相信聰明的你一定可以參考前面的那個程序,來編寫一段程序來驗證。

一般繼承(有虛函數(shù)覆蓋)

覆蓋父類的虛函數(shù)是很顯然的事情,不然,虛函數(shù)就變得毫無意義。下面,我們來看一下,如果子類中有虛函數(shù)重載了父類的虛函數(shù),會是一個什么樣子?假設(shè),我們有下面這樣的一個繼承關(guān)系。

為了讓大家看到被繼承過后的效果,在這個類的設(shè)計中,我只覆蓋了父類的一個函數(shù): f() 。那么,對于派生類的實例,其虛函數(shù)表會是下面的一個樣子:

C++學習筆記(五)--虛函數(shù)表解析

我們從表中可以看到下面幾點,

1) 覆蓋的 f() 函數(shù)被放到了虛表中原來父類虛函數(shù)的位置。

2) 沒有被覆蓋的函數(shù)依舊。

這樣,我們就可以看到對于下面這樣的程序,

Base *b = new Derive();

b->f();

b 所指的內(nèi)存中的虛函數(shù)表的 f() 的位置已經(jīng)被 Derive::f() 函數(shù)地址所取代,于是在實際調(diào)用發(fā)生時,是 Derive::f() 被調(diào)用了。這就實現(xiàn)了多態(tài)。

多重繼承(無虛函數(shù)覆蓋)

下面,再讓我們來看看多重繼承中的情況,假設(shè)有下面這樣一個類的繼承關(guān)系。注意:子類并沒有覆蓋父類的函數(shù)。

C++學習筆記(五)--虛函數(shù)表解析

對于子類實例中的虛函數(shù)表,是下面這個樣子:

C++學習筆記(五)--虛函數(shù)表解析

我們可以看到:

1) 每個父類都有自己的虛表。

2) 子類的成員函數(shù)被放到了第一個父類的表中。(所謂的第一個父類是按照聲明順序來判斷的)

這樣做就是為了解決不同的父類類型的指針指向同一個子類實例,而能夠調(diào)用到實際的函數(shù)。

多重繼承(有虛函數(shù)覆蓋)

下面我們再來看看,如果發(fā)生虛函數(shù)覆蓋的情況。

下圖中,我們在子類中覆蓋了父類的 f() 函數(shù)。

C++學習筆記(五)--虛函數(shù)表解析

下面是對于子類實例中的虛函數(shù)表的圖:

C++學習筆記(五)--虛函數(shù)表解析

我們可以看見,三個父類虛函數(shù)表中的 f() 的位置被替換成了子類的函數(shù)指針。這樣,我們就可以任一靜態(tài)類型的父類來指向子類,并調(diào)用子類的 f() 了。如:

Derive d;

Base1 *b1 = &d;

Base2 *b2 = &d;

Base3 *b3 = &d;

b1->f(); //Derive::f()

b2->f(); //Derive::f()

b3->f(); //Derive::f()

b1->g(); //Base1::g()

b2->g(); //Base2::g()

b3->g(); //Base3::g()

安全性

每次寫 C++ 的文章,總免不了要批判一下 C++ 。這篇文章也不例外。通過上面的講述,相信我們對虛函數(shù)表有一個比較細致的了解了。水可載舟,亦可覆舟。下面,讓我們來看看我們可以用虛函數(shù)表來干點什么壞事吧。

一、通過父類型的指針訪問子類自己的虛函數(shù)

我們知道,子類沒有重載父類的虛函數(shù)是一件毫無意義的事情。因為多態(tài)也是要基于函數(shù)重載的。雖然在上面的圖中我們可以看到 Base1 的虛表中有 Derive 的虛函數(shù),但我們根本不可能使用下面的語句來調(diào)用子類的自有虛函數(shù):

Base1 *b1 = new Derive();

b1->f1(); // 編譯出錯

任何妄圖使用父類指針想調(diào)用子類中的 未覆蓋父類的成員函數(shù) 的行為都會被編譯器視為非法,所以,這樣的程序根本無法編譯通過。但在運行時,我們可以通過指針的方式訪問虛函數(shù)表來達到違反 C++ 語義的行為。(關(guān)于這方面的嘗試,通過閱讀后面附錄的代碼,相信你可以做到這一點)

二、訪問 non-public 的虛函數(shù)

另外,如果父類的虛函數(shù)是 private 或是 protected 的,但這些非 public 的虛函數(shù)同樣會存在于虛函數(shù)表中,所以,我們同樣可以使用訪問虛函數(shù)表的方式來訪問這些 non-public 的虛函數(shù),這是很容易做到的。

如:

class Base {

private :

virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }

};

class Derive : public Base{

};

typedef void (*Fun)( void );

void main() {

Derive d;

Fun pFun = (Fun)*(( int *)*( int *)(&d)+ 0 );

pFun();

}

結(jié)束語

C++ 這門語言是一門 Magic 的語言,對于程序員來說,我們似乎永遠摸不清楚這門語言背著我們在干了什么。需要熟悉這門語言,我們就必需要了解 C++ 里面的那些東西,需要去了解 C++ 中那些危險的東西。不然,這是一種搬起石頭砸自己腳的編程語言。

在文章束之前還是介紹一下自己吧。我從事軟件研發(fā)有十個年頭了,目前是軟件開發(fā)技術(shù)主管,技術(shù)方面,主攻 Unix/C/C++ ,比較喜歡網(wǎng)絡(luò)上的技術(shù),比如分布式計算,網(wǎng)格計算, P2P Ajax 等一切和互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的東西。管理方面比較擅長于團隊建設(shè),技術(shù)趨勢分析,項目管理。歡迎大家和我交流,我的 MSN Email 是: haoel@hotmail.com

附錄一: VC 中查看虛函數(shù)表

我們可以在 VC IDE 環(huán)境中的 Debug 狀態(tài)下展開類的實例就可以看到虛函數(shù)表了(并不是很完整的)

C++學習筆記(五)--虛函數(shù)表解析

附錄 二:例程

下面是一個關(guān)于多重繼承的虛函數(shù)表訪問的例程:

#include <iostream>

using namespace std;

class Base1 {

public :

virtual void f() { cout << "Base1::f" << endl; }

virtual void g() { cout << "Base1::g" << endl; }

virtual void h() { cout << "Base1::h" << endl; }

};

class Base2 {

public :

virtual void f() { cout << "Base2::f" << endl; }

virtual void g() { cout << "Base2::g" << endl; }

virtual void h() { cout << "Base2::h" << endl; }

};

class Base3 {

public :

virtual void f() { cout << "Base3::f" << endl; }

virtual void g() { cout << "Base3::g" << endl; }

virtual void h() { cout << "Base3::h" << endl; }

};

class Derive : public Base1, public Base2, public Base3 {

public :

virtual void f() { cout << "Derive::f" << endl; }

virtual void g1() { cout << "Derive::g1" << endl; }

};

typedef void (*Fun)( void );

int main()

{

Fun pFun = NULL;

Derive d;

int ** pVtab = ( int **)&d;

//Base1's vtable

//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+0);

pFun = (Fun)pVtab[ 0 ][ 0 ];

pFun();

//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+1);

pFun = (Fun)pVtab[ 0 ][ 1 ];

pFun();

//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+2);

pFun = (Fun)pVtab[ 0 ][ 2 ];

pFun();

//Derive's vtable

//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+3);

pFun = (Fun)pVtab[ 0 ][ 3 ];

pFun();

//The tail of the vtable

pFun = (Fun)pVtab[ 0 ][ 4 ];

cout<<pFun<<endl;

//Base2's vtable

//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0);

pFun = (Fun)pVtab[ 1 ][ 0 ];

pFun();

//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1);

pFun = (Fun)pVtab[ 1 ][ 1 ];

pFun();

pFun = (Fun)pVtab[ 1 ][ 2 ];

pFun();

//The tail of the vtable

pFun = (Fun)pVtab[ 1 ][ 3 ];

cout<<pFun<<endl;

//Base3's vtable

//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0);

pFun = (Fun)pVtab[ 2 ][ 0 ];

pFun();

//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1);

pFun = (Fun)pVtab[ 2 ][ 1 ];

pFun();

pFun = (Fun)pVtab[ 2 ][ 2 ];

pFun();

//The tail of the vtable

pFun = (Fun)pVtab[ 2 ][ 3 ];

cout<<pFun<<endl;

return 0 ;

}

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