c++语言虚函数实现多态的原理(更新版)

c/c++

浏览数:96

2019-7-21

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 自上一个帖子之间跳过了一篇总结性的帖子,之后再发,今天主要研究了c++语言当中虚函数对多态的实现,感叹于c++设计者的精妙绝伦

c++中虚函数表的作用主要是实现了多态的机制。首先先解释一下多态的概念,多态是c++的特点之一,关于多态,简而言之就是 用父类的指针指向其子类的实例,然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数,这种方法呢,可以让父类的指针具有多种形态,也就是说不需要改动很多的代码就可以让父类这一种指针,干一些很多子类指针的事情,这里是从虚函数的实现机制层面进行研究

在写这篇帖子之前对于相关的文章进行了查阅,基本上是大段的文字,所以我的这一篇可能会用大量的图形进行赘述(如果理解有误的地方,烦请大佬能够指出),接下来就言归正传:

首先介绍一下为什么会引进多态呢,基于c++的复用性和拓展性而言,同类的程序模块进行大量重复,是一件无法容忍的事情,比如我设置了苹果,香蕉,西瓜类,现在想把这些东西都装到碗这个函数里,那么在主函数当中,声明对象是必须的,但是每一次装进碗里对于水果来说,都要用自己的指针调用一次装的功能,那为什么不把这些类抽象成一个水果类呢,直接定义一个水果类的指针一次性调用所有水果装的功能呢,这个就是利用父类指针去调用子类成员,但是这个思想受到了指针指向类型的限制,也就是说表面指针指向了子类成员,但实际上还是只能调用子类成员里的父类成员,这样的思想就变的毫无意义了,如果想要解决这个问题,只要在父类前加上virtual就可以解决了,这里就是利用虚函数实现多态的实例。

首先还是作为举例来两个类,在之前基础知识的帖子中提到过,空类的大小是一个字节(占位符),函数,静态变量都在编译期就形成了,不用类去分配空间,但是做一个小实验,看一看在定义了虚函数之后,类的大小是多少呢

 1 #include<iostream>
 2 using namespace std;
 3 class CFather 
 4 {
 5 public:
 6     virtual void AA()  //虚函数标识符
 7     {
 8         cout << "CFather :: AA()" << endl;
 9     }
10     void BB()
11     {
12         cout << "CFather  :: BB()" << endl;
13     }
14 };
15 class CSon : public CFather
16 {
17 public:
18     void AA()
19     {
20         cout << "CSon :: AA()" << endl;
21     }
22     void BB()
23     {
24         cout << "CSon :: BB()" << endl;
25     }
26 };
27 int main()
28 {
29     cout << sizeof(CFather) << endl;           //测试加了虚函数的类
30 
31     system("pause");
32     return 0;
33 }

很明显类里装了一个 4个字节的东西,除了整形int,就是指针了,没错这里装的就是函数指针

先把这个代码,给抽象成图形进行理解,在这CFather为A,CSon为B

 此时就是一个单纯的继承的情况,不存在虚函数,然后我new一个对象,A *p = new A;那么 p -> AA(),必然是指向A类中的AA()函数,那么函数的调用有两种方式 一种函数名加()直接调用,一种是利用函数指针进行调用,在这里我想要调用子类的,就可以利用函数指针进行调用,假设出来两个函数指针,来指向B类中的两个成员函数,如果我父类想要调用子类成员,就可以通过 p指针去调用函数指针,再通过函数指针去调用成员函数

 每一个函数都可以用一个函数指针去指着,那么每一类中的函数指针都可以形成自己的一个表,这个就叫做虚函数表

 那么在创建对象后,为什么类中会有四个字节的内存空间呢?

在C++的标准规格说明书中说到,编译器必需要保证虚函数表的指针存在于对象中最前面的位置(这是为了保证正确取到虚函数的偏移量)。这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表,然后就可以遍历其中函数指针,并调用相应的函数。也就是说这四个字节的指针,代替了上图中(p->*pfn)()的作用,指向了函数指针,也就是说,在使用了虚函数的父类成员函数,虽然写的还是p->AA(),实际上却是,(p->*(vfptr[0])),而指向哪个虚函数表就由,创建的对象来决定

至此,就能理解如何用虚函数这个机制来实现多态的了

下面,我将分别说明“无覆盖”和“有覆盖”时的虚函数表的样子。没有覆盖父类的虚函数是毫无意义的。我之所以要讲述没有覆盖的情况,主要目的是为了给一个对比。在比较之下,我们可以更加清楚地知道其内部的具体实现。

无虚数覆盖

下面,再让我们来看看继承时的虚函数表是什么样的。假设有如下所示的一个继承关系:

请注意,在这个继承关系中,子类没有重载任何父类的函数。那么,在派生类的实例中,Derive d; 的虚函表:

我们可以看到下面几点:

1)虚函数按照其声明顺序放于表中。

2)父类的虚函数在子类的虚函数前面。

有虚数覆盖

覆盖父类的虚函数是很显然的事情,不然,虚函数就变得毫无意义。下面,我们来看一下,如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数,会是一个什么样子?假设,我们有下面这样的一个继承关系。

为了让大家看到被继承过后的效果,在这个类的设计中,我只覆盖了父类的一个函数:f()。那么,对于派生类的实例,其虚函数表会是下面的一个样子:

我们从表中可以看到下面几点,

1)覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。

2)没有被覆盖的函数依旧。

这样,我们就可以看到对于下面这样的程序,

            Base *b = new Derive();

            b->f();

由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代,于是在实际调用发生时,是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。

2019-05-28 00:15:30 编程小菜鸟自我反思,今天图画的太丑了,大家多多担待,如果技术上有什么偏差,大家可以踊跃批评我,谢谢!!!

 /*==========================================================手动分割线================================================*/

感谢@奕韵风华提出的问题,现在将多继承的虚函数实现多态的情况讨论一下,另再加上从代码层面上对这个机制有更深的理解

讨论多继承还是从有无虚函数覆盖的情况来开始

无虚函数覆盖

假设有下面这样一个类的继承关系。注意:子类并没有覆盖父类的函数。

对于子类实例中的虚函数表,是下面这个样子:

我们可以看到:

1)  每个父类都有自己的虚表。

2)  子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。(所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的)

这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例,而能够调用到实际的函数。

有虚函数覆盖

下图中,我们在子类中覆盖了父类的f()函数。

下面是对于子类实例中的虚函数表的图:

我们可以看见,三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样,我们就可以任一静态类型的父类来指向子类,并调用子类的f()了。比如

 1  Derive d;
 2 
 3   Base1 *b1 = &d;
 4 
 5   Base2 *b2 = &d;
 6 
 7   Base3 *b3 = &d;
 8 
 9   b1->f(); //Derive::f()
10 
11   b2->f(); //Derive::f()
12 
13   b3->f(); //Derive::f()
14 
15  
16 
17   b1->g(); //Base1::g()
18 
19   b2->g(); //Base2::g()
20 
21   b3->g(); //Base3::g()

以上就是对多继承情况的一种讨论

那么再看看如何在代码的层面上来验证原理呢?

首先在主函数内声明了一个父类的指针,指向子类对象,那么这个对这个父类指针解引用的话,就能得到一个vfptr指针,和父类,子类对象,但是现在我只需要指向虚函数的指针,那么就可以定义指针只取前四个字节,利用强转,*(int *)p 这个得到了vfptr的地址,那么继续想要获得虚函数表中的虚函数,就是再次解引用了,但是如何进行偏移呢?在整形,浮点型里,指针的偏移量都是指针指向类型所觉得的,而这里是个函数指针,函数指针不允许利用指针指向类型来进行偏移量的取值,因为函数的类型大小是不确定的,但是我们知道,虚函数表里都是函数指针,指针的大小是确定的都是四个字节,那还可以继续利用强转,控制指针每次偏移四个字节,那么这个时候再进行解引用就是我们所取得函数的地址了,如果语言太赘述的话,可以看下面的例子

 1 //--------------------------------------------------
 2 #include <iostream>
 3 using namespace std;
 4 
 5 
 6 class CFather
 7 {
 8 public:
 9     virtual void AA()
10     {
11         cout << "CFather::AA" << endl;
12     }
13     virtual void BB()
14     {
15         cout << "CFather::BB" << endl;
16     }
17     virtual void CC()
18     {
19         cout << "CFather::BB" << endl;
20     }
21     void DD()
22     {
23         cout << "CFather::DD" << endl;
24     }
25 };
26 
27 class CSon:public CFather
28 {
29 public:
30     virtual void AA()
31     {
32         cout << "CSon::AA" << endl;
33     }
34     virtual void BB()
35     {
36         cout << "CSon::BB" << endl;
37     }
38     void DD()
39     {
40         cout << "CSon::DD" << endl;
41     }
42     virtual void EE()
43     {
44         cout << "CSon::EE" << endl;
45     }
46 };
47 
48 
49 int main()
50 {
51 
52     typedef void (*PFUN)();
53 
54     cout << sizeof(CFather) << endl;
55     CFather* p = new CSon;
56     PFUN aa = (PFUN)*((int*)*(int*)p+0);
57     PFUN bb = (PFUN)*((int*)*(int*)p+1);
58     PFUN cc = (PFUN)*((int*)*(int*)p+2);
59     PFUN dd = (PFUN)*((int*)*(int*)p+3);
60     PFUN ee = (PFUN)*((int*)*(int*)p+4);
61 
62 
63 
64     system("pause");
65     return 0;
66 }

通过监视就能直接看到(因为vs编译器不允许,利用父类指针直接使用虚函数不覆盖情况下的子类成员函数,利用这个方法也可以查看子类虚函数)

验证了我上面叙述的原理,首先父类中先 生成了虚函数表,再继承到子类当中,如果子类中有重载的函数,直接重写,没有的话直接添加

2019-05-29 14:07:19 编程小菜鸟自我反思,大佬可以提出自己的建议和意见,谢谢!!! 

作者:coding小菜鸟