C++
的多態(tài)性實(shí)現(xiàn)機(jī)制剖析
――即
VC++
視頻第三課
this
指針詳細(xì)說(shuō)明
作者：孫鑫
時(shí)間：
2006
年
1
月
12
日
星期四
1.??
多態(tài)性和虛函數(shù)
我們先看一個(gè)例子：
#include <iostream.h>
class
animal
{
public
:
??????
void sleep()
?????? {
?????????????
cout
<<"animal sleep"<<endl;
?????? }
??????
void
breathe()
?????? {
?????????????
cout
<<"animal breathe"<<endl;
?????? }
};
class
fish:public animal
{
public
:
??????
void
breathe()
?????? {
?????????????
cout
<<"fish bubble"<<endl;
?????? }
};
void
main()
{
??????
fish
fh;
??????
animal
*pAn=&fh;
??????
pAn
->breathe();
??????
注意，在例
1-1
的程序中沒(méi)有定義虛函數(shù)。考慮一下例
1-1
的程序執(zhí)行的結(jié)果是什么？
??????
答案是輸出：
animal
breathe
??????
我們?cè)?/span>
main()
函數(shù)中首先定義了一個(gè)
fish
類的對(duì)象
fh
，接著定義了一個(gè)指向
animal
類的指針變量
pAn
，將
fh
的地址賦給了指針變量
pAn
，然后利用該變量調(diào)用
pAn
->breathe()
。許多學(xué)員往往將這種情況和
C++
的多態(tài)性搞混淆，認(rèn)為
fh
實(shí)際上是
fish
類的對(duì)象，應(yīng)該是調(diào)用
fish
類的
breathe()
，輸出“
fish bubble
”，然后結(jié)果卻不是這樣。下面我們從兩個(gè)方面來(lái)講述原因。
1、?
編譯的角度
C++
編譯器在編譯的時(shí)候，要確定每個(gè)對(duì)象調(diào)用的函數(shù)的地址，這稱為早期綁定（
early binding
），當(dāng)我們將
fish
類的對(duì)象
fh
的地址賦給
pAn
時(shí)，
C++
編譯器進(jìn)行了類型轉(zhuǎn)換，此時(shí)
C++
編譯器認(rèn)為變量
pAn
保存的就是
animal
對(duì)象的地址。當(dāng)在
main()
函數(shù)中執(zhí)行
pAn
->breathe()
時(shí)，調(diào)用的當(dāng)然就是
animal
對(duì)象的
breathe
函數(shù)。
2、?
內(nèi)存模型的角度
我們給出了
fish
對(duì)象內(nèi)存模型，如下圖所示：
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
圖
1-
1
fish
類對(duì)象
的內(nèi)存模型
?
我們構(gòu)造
fish
類的對(duì)象時(shí)，首先要調(diào)用
animal
類的構(gòu)造函數(shù)去構(gòu)造
animal
類的對(duì)象，然后才調(diào)用
fish
類的構(gòu)造函數(shù)完成自身部分的構(gòu)造，從而拼接出一個(gè)完整的
fish
對(duì)象。當(dāng)我們將
fish
類的對(duì)象轉(zhuǎn)換為
animal
類型時(shí)，該對(duì)象就被認(rèn)為是原對(duì)象整個(gè)內(nèi)存模型的上半部分，也就是圖
1-1
中的“
animal
的對(duì)象所占內(nèi)存”。那么當(dāng)我們利用類型轉(zhuǎn)換后的對(duì)象指針去調(diào)用它的方法時(shí)，當(dāng)然也就是調(diào)用它所在的內(nèi)存中的方法。因此，輸出
animal breathe
，也就順理成章了。
正如很多學(xué)員所想，在例
1-1
的程序中，我們知道
pAn
實(shí)際指向的是
fish
類的對(duì)象，我們希望輸出的結(jié)果是魚(yú)的呼吸方法，即調(diào)用
fish
類的
breathe
方法。這個(gè)時(shí)候，就該輪到虛函數(shù)登場(chǎng)了。
前面輸出的結(jié)果是因?yàn)榫幾g器在編譯的時(shí)候，就已經(jīng)確定了對(duì)象調(diào)用的函數(shù)的地址，要解決這個(gè)問(wèn)題就要使用遲綁定（
late binding
）技術(shù)。當(dāng)編譯器使用遲綁定時(shí)，就會(huì)在運(yùn)行時(shí)再去確定對(duì)象的類型以及正確的調(diào)用函數(shù)。而要讓編譯器采用遲綁定，就要在基類中聲明函數(shù)時(shí)使用
virtual
關(guān)鍵字（注意，這是必須的，很多學(xué)員就是因?yàn)闆](méi)有使用虛函數(shù)而寫出很多錯(cuò)誤的例子），這樣的函數(shù)我們稱為虛函數(shù)。一旦某個(gè)函數(shù)在基類中聲明為
virtual
，那么在所有的派生類中該函數(shù)都是
virtual
，而不需要再顯式地聲明為
virtual
。
下面修改例
1-1
的代碼，將
animal
類中的
breathe()
函數(shù)聲明為
virtual
，如下：
#include <iostream.h>
class
animal
{
public
:
??????
void sleep()
?????? {
?????????????
cout
<<"animal sleep"<<endl;
?????? }
??????
virtual
void breathe()
?????? {
?????????????
cout
<<"animal breathe"<<endl;
?????? }
};
class
fish:public animal
{
public
:
??????
void breathe()
?????? {
?????????????
cout
<<"fish bubble"<<endl;
?????? }
};
void
main()
{
??????
fish
fh;
??????
animal *pAn=&fh;
??????
pAn
->breathe();
大家可以再次運(yùn)行這個(gè)程序，你會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果是“
fish bubble
”，也就是根據(jù)對(duì)象的類型調(diào)用了正確的函數(shù)。
那么當(dāng)我們將
breathe()
聲明為
virtual
時(shí)，在背后發(fā)生了什么呢？
編譯器在編譯的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)
animal
類中有虛函數(shù)，此時(shí)編譯器會(huì)為每個(gè)包含虛函數(shù)的類創(chuàng)建一個(gè)虛表（即
vtable
），該表是一個(gè)一維數(shù)組，在這個(gè)數(shù)組中存放每個(gè)虛函數(shù)的地址。對(duì)于例
1-2
的程序，
animal
和
fish
類都包含
了一個(gè)虛函數(shù)
breathe()
，因此編譯器會(huì)為這兩個(gè)類都建立一個(gè)虛表，如下圖所示：
?
?
?
?
?
?
圖
1-
2
animal
類和
fish
類的虛表
??????
那么如何定位虛表呢？編譯器另外還為每個(gè)類的對(duì)象提供了一個(gè)虛表指針（即
vptr
），這個(gè)指針指向了對(duì)象所屬類的虛表。在程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)對(duì)象的類型去初始化
vptr
，從而讓
vptr
正確的指向所屬類的虛表，從而在調(diào)用虛函數(shù)時(shí)，就能夠找到正確的函數(shù)。對(duì)于例
1-2
的程序，由于
pAn
實(shí)際指向的對(duì)象類型是
fish
，因此
vptr
指向的
fish
類的
vtable
，當(dāng)調(diào)用
pAn
->breathe()
時(shí)，根據(jù)虛表中的函數(shù)地址找到的就是
fish
類的
breathe()
函數(shù)。
正是由于每個(gè)對(duì)象調(diào)用的虛函數(shù)都是通過(guò)虛表指針來(lái)索引的，也就決定了虛表指針的正確初始化是非常重要的。換句話說(shuō)，在虛表指針沒(méi)有正確初始化之前，我們不能夠去調(diào)用虛函數(shù)。那么虛表指針在什么時(shí)候，或者說(shuō)在什么地方初始化呢？
答案是在構(gòu)造函數(shù)中進(jìn)行虛表的創(chuàng)建和虛表指針的初始化。還記得構(gòu)造函數(shù)的調(diào)用順序嗎，在構(gòu)造子類對(duì)象時(shí)，要先調(diào)用父類的構(gòu)造函數(shù)，此時(shí)編譯器只“看到了”父類，并不知道后面是否后還有繼承者，它初始化父類對(duì)象的虛表指針，該虛表指針指向父類的虛表。當(dāng)執(zhí)行子類的構(gòu)造函數(shù)時(shí)，子類對(duì)象的虛表指針被初始化，指向自身的虛表。對(duì)于例
2-2
的程序來(lái)說(shuō)，當(dāng)
fish
類的
fh
對(duì)象構(gòu)造完畢后，其內(nèi)部的虛表指針也就被初始化為指向
fish
類的虛表。在類型轉(zhuǎn)換后，調(diào)用
pAn
->breathe()
，由于
pAn
實(shí)際指向的是
fish
類的對(duì)象，該對(duì)象內(nèi)部的虛表指針指向的是
fish
類的虛表，因此最終調(diào)用的是
fish
類的
breathe()
函數(shù)。
要注意：對(duì)于虛函數(shù)調(diào)用來(lái)說(shuō)，每一個(gè)對(duì)象內(nèi)部都有一個(gè)虛表指針，該虛表指針被初始化為本類的虛表。所以在程序中，不管你的對(duì)象類型如何轉(zhuǎn)換，但該對(duì)象內(nèi)部的虛表指針是固定的，所以呢，才能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的對(duì)象函數(shù)調(diào)用，這就是
C++
多態(tài)性實(shí)現(xiàn)的原理。
總結(jié)（基類有虛函數(shù)）：
1、?
每一個(gè)類都有虛表。
2、?
虛表可以繼承，如果子類沒(méi)有重寫虛函數(shù)，那么子類虛表中仍然會(huì)有該函數(shù)的地址，只不過(guò)這個(gè)地址指向的是基類的虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)。如果基類3個(gè)虛函數(shù)，那么基類的虛表中就有三項(xiàng)（虛函數(shù)地址），派生類也會(huì)有虛表，至少有三項(xiàng)，如果重寫了相應(yīng)的虛函數(shù)，那么虛表中的地址就會(huì)改變，指向自身的虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)。如果派生類有自己的虛函數(shù)，那么虛表中就會(huì)添加該項(xiàng)。
3、?
派生類的虛表中虛函數(shù)地址的排列順序和基類的虛表中虛函數(shù)地址排列順序相同。
2.??
VC
視頻第三課
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指針說(shuō)明
我在論壇的
VC
教學(xué)視頻版面發(fā)了帖子，是模擬
MFC
類庫(kù)的例子寫的，主要是說(shuō)明在基類的構(gòu)造函數(shù)中保存的
this
指針是指向子類的，我們?cè)诳匆幌逻@個(gè)例子：
#include <iostream.h>
?
class
base;
?
base
* pbase;
?
class
base
{
public
:
??????
base()
?????? {
?????????????
pbase
=this;
?????????????
?????? }
??????
virtual void fn()
?????? {
?????????????
cout
<<"base"<<endl;
?????? }
};
?
class
derived:public base
{
??????
void fn()
?????? {
?????????????
cout
<<"derived"<<endl;
?????? }
};
?
derived
aa;
void
main()
{
??????
pbase
->fn();
我在
base
類的構(gòu)造函數(shù)中將
this
指針保存到
pbase
全局變量中。在定義全局對(duì)象
aa
，即調(diào)用
derived aa;
時(shí)，要調(diào)用基類的構(gòu)造函數(shù)，先構(gòu)造基類的部分，然后是子類的部分，由這兩部分拼接出完整的對(duì)象
aa
。這個(gè)
this
指針指向的當(dāng)然也就是
aa
對(duì)象，那么我們?cè)?/span>
main()
函數(shù)中利用
pbase
調(diào)用
fn()
，因?yàn)?/span>
pbase
實(shí)際指向的是
aa
對(duì)象，而
aa
對(duì)象內(nèi)部的虛表指針指向的是自身的虛表，最終調(diào)用的當(dāng)然是
derived
類中的
fn()
函數(shù)。
在這個(gè)例子中，由于我的疏忽，在
derived
類中聲明
fn()
函數(shù)時(shí)，忘了加
public
關(guān)鍵字，導(dǎo)致聲明為了
private
（默認(rèn)為
private
），但通過(guò)前面我們所講述的虛函數(shù)調(diào)用機(jī)制，我們也就明白了這個(gè)地方并不影響它輸出正確的結(jié)果。不知道這算不算
C++
的一個(gè)
Bug
，因?yàn)樘摵瘮?shù)的調(diào)用是在運(yùn)行時(shí)確定調(diào)用哪一個(gè)函數(shù)，所以編譯器在編譯時(shí)，并不知道
pbase
指向的是
aa
對(duì)象，所以導(dǎo)致這個(gè)奇怪現(xiàn)象的發(fā)生。如果你直接用
aa
對(duì)象去調(diào)用，由于對(duì)象類型是確定的（注意
aa
是對(duì)象變量，不是指針變量），編譯器往往會(huì)采用早期綁定，在編譯時(shí)確定調(diào)用的函數(shù)，于是就會(huì)發(fā)現(xiàn)
fn()
是私有的，不能直接調(diào)用。：）
許多學(xué)員在寫這個(gè)例子時(shí)，直接在基類的構(gòu)造函數(shù)中調(diào)用虛函數(shù)，前面已經(jīng)說(shuō)了，在調(diào)用基類的構(gòu)造函數(shù)時(shí)，編譯器只“看到了”父類，并不知道后面是否后還有繼承者，它只是初始化父類對(duì)象的虛表指針，讓該虛表指針指向父類的虛表，所以你看到結(jié)果當(dāng)然不正確。只有在子類的構(gòu)造函數(shù)調(diào)用完畢后，整個(gè)虛表才構(gòu)建完畢，此時(shí)才能真正應(yīng)用
C++
的多態(tài)性。換句話說(shuō)，我們不要在構(gòu)造函數(shù)中去調(diào)用虛函數(shù)，當(dāng)然如果你只是想調(diào)用本類的函數(shù)，也無(wú)所謂。
3.??
參考資料：
1
、文章《在
VC6.0
中虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法》，作者：
backer
，網(wǎng)址：
http://www.mybole.com.cn/bbs/dispbbs.asp?boardid=4&id=1012&star=1
2
、書(shū)《
C++
編程思想》
機(jī)械工業(yè)出版社
4.??
后記
本想再寫詳細(xì)些，發(fā)現(xiàn)時(shí)間不夠，總是有很多事情，在加上水平也有限，想想還是以后再說(shuō)吧。不過(guò)我相信，這些內(nèi)容也能夠幫助大家很好的理解了。也歡迎網(wǎng)友能夠繼續(xù)補(bǔ)充，大家可以鼓動(dòng)鼓動(dòng)
backer
，讓他從匯編的角度再給一個(gè)說(shuō)明，哈哈，別說(shuō)我說(shuō)的。