虛函數(shù)

參考文章: C++ 虛函數(shù)表解析

C++中的虛函數(shù)的作用主要是實(shí)現(xiàn)了多態(tài)的機(jī)制。
關(guān)于多態(tài)，簡(jiǎn)而言之就是用父類型別的指針指向其子類的實(shí)例，然后通過父類的指針調(diào)用實(shí)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(shí)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(shí)決議，要么試圖做到運(yùn)行時(shí)決議。

虛函數(shù)與純虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

class Base {
public:
    virtual void f();// 虛函數(shù)
    virtual void g() = 0;// 純虛函數(shù)
};
void Base::f() {cout << "基類重新初始化f" << endl; }
void Base::g() {cout << "基類重新初始化g" << endl; }
//虛函數(shù)與純虛函數(shù)都提供了基類實(shí)現(xiàn)虛函數(shù)的方式。
//但是，純虛函數(shù)仍需要子類來實(shí)現(xiàn)，否則將編譯出錯(cuò)
class BaseA : public Base{   
    virtual void g(){} ;//純虛數(shù)不實(shí)現(xiàn)會(huì)報(bào)錯(cuò)！
};
class BaseB : public Base{
    virtual void f() {cout << "子類實(shí)現(xiàn)f" << endl;}
    virtual void g() {cout << "子類實(shí)現(xiàn)g" << endl;}
};
void test()
{
    Base *a = new BaseA;
    Base *b = new BaseB;
    a->f(); // 基類重新初始化f
    a->g(); // 空 需要自己實(shí)現(xiàn)
    b->f(); // 子類實(shí)現(xiàn)f
    b->g(); // 子類實(shí)現(xiàn)g   
}

虛函數(shù)表

對(duì)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(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)稱為V-Table。
在這個(gè)表中，主是要一個(gè)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(shí)反應(yīng)實(shí)際的函數(shù)。

這樣，在有虛函數(shù)的類的實(shí)例中這個(gè)表被分配在了這個(gè)實(shí)例的內(nèi)存中。
所以，當(dāng)我們用父類的指針來操作一個(gè)子類的時(shí)候，這張?zhí)摵瘮?shù)表就顯得由為重要了，它就像一個(gè)地圖一樣，指明了實(shí)際所應(yīng)該調(diào)用的函數(shù)。

我們著重看一下虛函數(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(duì)象實(shí)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(duì)象實(shí)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(shí)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(gè)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(shí)例來得到虛函數(shù)表。 下面是實(shí)際例程：

    typedef void(*Fun)(void); 
    // 定義函數(shù)指針
    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(gè)函數(shù)地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;
    pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
    pFun();

虛函數(shù)表地址：0x61ff08
虛函數(shù)表 — 第一個(gè)函數(shù)地址：0x40538c
Base::f

通過這個(gè)示例，我們可以看到，我們可以通過強(qiáng)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(gè)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(yàn)證（把int 強(qiáng)制轉(zhuǎn)成了函數(shù)指針）。
通過這個(gè)示例，我們就可以知道如果要調(diào)用Base::g()和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(gè)時(shí)候你應(yīng)該懂了吧。什么？還是有點(diǎn)暈。
沒問題，讓我畫個(gè)圖解釋一下。如下所示：

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

下面，我將分別說明“無覆蓋”和“有覆蓋”時(shí)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(gè)對(duì)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(shí)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(shí)的虛函數(shù)表是什么樣的。假設(shè)有如下所示的一個(gè)繼承關(guān)系：

請(qǐng)注意，在這個(gè)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(shí)例中，其虛函數(shù)表如下所示

對(duì)于實(shí)例：Derive d; 的虛函數(shù)表如下：

我們可以看到下面幾點(diǎn)：

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(gè)程序，來編寫一段程序來驗(yàn)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(huì)是一個(gè)什么樣子？假設(shè)，我們有下面這樣的一個(gè)繼承關(guān)系。

為了讓大家看到被繼承過后的效果，在這個(gè)類的設(shè)計(jì)中，我只覆蓋了父類的一個(gè)函數(shù)：f()。那么，對(duì)于派生類的實(shí)例，其虛函數(shù)表會(huì)是下面的一個(gè)樣子：

我們從表中可以看到下面幾點(diǎn)，

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(duì)于下面這樣的程序，

        Base *b = new Derive();

        b->f();

由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(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí)，是Derive::f()被調(diào)用了。這就實(shí)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(gè)類的繼承關(guān)系。注意：子類并沒有覆蓋父類的函數(shù)

對(duì)于子類實(shí)例中的虛函數(shù)表，是下面這個(gè)樣子：

我們可以看到：

1） 每個(gè)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(gè)父類的表中。（所謂的第一個(gè)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(gè)子類實(shí)例，而能夠調(diào)用到實(shí)際的函數(shù)。

多重繼承（有虛函數(shù)覆蓋）
下面我們?cè)賮砜纯?，如果發(fā)生虛函數(shù)覆蓋的情況。

下圖中，我們?cè)谧宇愔懈采w了父類的f()函數(shù)。

下面是對(duì)于子類實(shí)例中的虛函數(shù)表的圖：

我們可以看見，三個(gè)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()

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?yàn)槎鄳B(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(yǔ)句來調(diào)用子類的自有虛函數(shù)：

      Base1 *b1 = new Derive();

        b1->f1();  //編譯出錯(cuò)

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(huì)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(yùn)行時(shí)，我們可以通過指針的方式訪問虛函數(shù)表來達(dá)到違反C++語(yǔ)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(diǎn)）

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(huì)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no

n-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();
  }
}

附錄一：VC中查看虛函數(shù)表
我們可以在VC的IDE環(huán)境中的Debug狀態(tài)下展開類的實(shí)例就可以看到虛函數(shù)表了（并不是很完整的）

附錄 二：例程
下面是一個(gè)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;

}