本文針對(duì)C++里的虛函數(shù)，虛繼承表現(xiàn)和原理進(jìn)行一些簡(jiǎn)單分析，有希望對(duì)大家學(xué)習(xí)C++有所幫助。下面都是以VC2008編譯器對(duì)這兩種機(jī)制內(nèi)部實(shí)現(xiàn)為例。

　　虛函數(shù)

　　以下是百度百科對(duì)于虛函數(shù)的解釋：

　　定義：在某基類中聲明為 virtual 并在一個(gè)或多個(gè)派生類中被重新定 義的成員函數(shù)[1]

　　語法：virtual 函數(shù)返回類型 函數(shù)名（參數(shù)表） { 函數(shù)體 }

　　用途：實(shí)現(xiàn)多態(tài)性，通過指向派生類的基類指針，訪問派生類中同名覆蓋成員函數(shù)

　　函數(shù)聲明和定義和普通的類成員函數(shù)一樣，只是在返回值之前加入了關(guān)鍵字“virtual”聲明為虛函數(shù)。而虛函數(shù)是實(shí)現(xiàn)多態(tài)的重要手段，意思是只有對(duì)虛函數(shù)的調(diào)用才能動(dòng)態(tài)決定調(diào)用哪一個(gè)函數(shù)，這是相對(duì)于普通成員函數(shù)而言的，普通的成員函數(shù)在編譯階段就能確定調(diào)用哪一個(gè)函數(shù)。舉個(gè)栗子：

　　#include

　　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;

　　}

　　基類A有兩個(gè)成員函數(shù)fn和v_fn，派生類B繼承自基類A，同樣實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)函數(shù)，然后在main函數(shù)中用A的指針指向B的實(shí)例（向上轉(zhuǎn)型，也是實(shí)現(xiàn)多態(tài)的必要手段），然后分別調(diào)用fn和v_fn函數(shù)。結(jié)果是“fn in A”和”virtual fn in B”。這是因?yàn)?/span>fn是普通成員函數(shù)，它是通過類A的指針調(diào)用的，所以在編譯的時(shí)候就確定了調(diào)用A的fn函數(shù)。而v_fn是虛函數(shù)，編譯時(shí)不能確定，而是在運(yùn)行時(shí)再通過一些機(jī)制來調(diào)用指針?biāo)赶虻膶?shí)例（B的實(shí)例）中的v_fn函數(shù)。假如派生類B中沒有實(shí)現(xiàn)（完全一樣，不是重載）v_fn這個(gè)函數(shù)，那么依然會(huì)調(diào)用基類類A中的v_fn；如果它實(shí)現(xiàn)了，就可以說派生類B覆蓋了基類A中的v_fn這個(gè)虛函數(shù)。這就是虛函數(shù)的表現(xiàn)和使用，只有通過虛函數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο笳Z言中的多態(tài)性。

　　以上只是虛函數(shù)的表現(xiàn)和用途，下面來探討它的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。在此之前，先來看一個(gè)問題，還是以上的代碼，基類A的大小為多少，也就是“printf(“%d\\n”, sizeof(A));”的輸出會(huì)是多少呢？A中一個(gè)成員變量都沒有，有人可能會(huì)說是0。額，0是絕對(duì)錯(cuò)誤的，因?yàn)樵?/span>C++中，即時(shí)是空類，它的大小也為1，這是另外的話題，不在本文討論。當(dāng)然1也是不對(duì)的，實(shí)際結(jié)果是4（32位系統(tǒng)），4剛好是一個(gè)int，一個(gè)指針（32位）的大小，派生類B的大小同樣為4。這四個(gè)字節(jié)和實(shí)現(xiàn)多態(tài)，虛函數(shù)的機(jī)制有著很重要的關(guān)系。

　　其實(shí)用VC2008調(diào)試上面代碼的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)指針a所指向的實(shí)力中有一個(gè)成員常量（const），它的名字叫做vftable，全稱大概叫做virtual function table（虛函數(shù)表）。它實(shí)際指向了一個(gè)數(shù)組，數(shù)組里面保存的是一系列函數(shù)指針，而上面的程序中，這個(gè)表只有一項(xiàng)，它就是派生類B中的v_fn函數(shù)入口地址。假如我們用一個(gè)A的指針指向一個(gè)A的實(shí)例呢？它同樣有一個(gè)vftable，而它指向的表中也只有一項(xiàng)，這項(xiàng)保存的基類的v_fn函數(shù)入口地址。這用代碼表示，就類似于下面這樣：

　　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的類型之所以用void*表示，實(shí)際上一個(gè)類中所有虛函數(shù)的地址都被放到這個(gè)表中，不同虛函數(shù)對(duì)應(yīng)的函數(shù)指針類型不盡相同，所以這個(gè)表用C++的類型不好表述，但是在機(jī)器級(jí)里都是入口地址，即一個(gè)32位的數(shù)字（32位系統(tǒng)），等到調(diào)用時(shí)，因?yàn)榫幾g器預(yù)先知道了函數(shù)的參數(shù)類型，返回值等，可以自動(dòng)做好處理。

　　這樣我們就能更好的理解虛函數(shù)和多態(tài)了。第一個(gè)代碼中，a指針雖然是A*類型的，但是它卻調(diào)用了B中的v_fn，因?yàn)椴还苁?/span>A類，還是A的基類，都會(huì)有一個(gè)變量vftable，它指向的虛函數(shù)表中保存了正確的v_fn入口。所以a->v_fn()實(shí)際做的工作就是從a指向的實(shí)例中取出vftable的值，然后找到虛函數(shù)表，再從表中去的v_fn的入口，進(jìn)行調(diào)用。不管a是指向A的實(shí)例，還是指向B的實(shí)例，a->fn()所做的步驟都是上面說的一樣，只是A的實(shí)例和B的實(shí)例有著不同的虛函數(shù)表，虛函數(shù)表里也保存著可能不同的虛函數(shù)入口，所以最終將進(jìn)入不同的函數(shù)調(diào)用中。通過表來達(dá)到不用判斷類型，亦可實(shí)現(xiàn)多態(tài)的作用。還有一點(diǎn)指的提醒的是，因?yàn)樘摵瘮?shù)表是一個(gè)常量表，在編譯時(shí)，編譯器會(huì)自動(dòng)生成，并且不會(huì)改變，所以如果有多個(gè)B類的實(shí)例，每個(gè)實(shí)例中都會(huì)有一個(gè)vftable指針，但是它們指向的是同一個(gè)虛函數(shù)表。

　　上面一段中說到了，A和B的實(shí)例有著不同的虛函數(shù)表，但是虛函數(shù)表中只是可能保存著不同的v_fn，那是因?yàn)?/span>C++允許派生類不覆蓋基類中的虛函數(shù)，意思就是假如派生類B中沒有實(shí)現(xiàn)v_fn這個(gè)函數(shù)（不是重載），那么B的實(shí)例的虛函數(shù)表會(huì)保存著基類A中v_fn的入口地址。也就是說B類不實(shí)現(xiàn)v_fn函數(shù)，但是它同樣提供了這個(gè)接口，實(shí)際上是調(diào)用基類A中的v_fn。假如某個(gè)類只是一個(gè)抽象類，抽象出一些列接口，但是又不能實(shí)現(xiàn)這些接口，而要有派生類來實(shí)現(xiàn)，那么就可以把這些接口聲明為純虛函數(shù)，包含有純虛函數(shù)的類稱為抽象類。純虛函數(shù)是一類特殊的虛函數(shù)，它的聲明方式如下：

　　class A {

　　public:

　　virtual 返回值 函數(shù)名（參數(shù)表）= 0；

　　};

　　在虛函數(shù)聲明方式后加一個(gè)“=0”，并且不提供實(shí)現(xiàn)。抽象類不允許實(shí)例化（這樣做編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)，因?yàn)橛谐蓡T函數(shù)沒有實(shí)現(xiàn)，編譯器不知道怎么調(diào)用）。純虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和虛函數(shù)類似，只是要求派生類類必須自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)（也可以不實(shí)現(xiàn)，但是派生類也會(huì)是個(gè)抽象類，不能實(shí)例化）。

　　順帶提一下，java中的每一個(gè)成員函數(shù)都可以以理解為C++中的virtual函數(shù)，不用顯式聲明都可以實(shí)現(xiàn)重載，多態(tài)。而java的接口類似于C++中的抽象類，需要實(shí)現(xiàn)里面的接口。

　　虛繼承

　　C++支持多重繼承，這和現(xiàn)實(shí)生活很類似，任何一個(gè)物體都不可能單一的屬于某一個(gè)類型。就像馬，第一想到的就是它派生自動(dòng)物這個(gè)基類，但是它在某系地方可不可以說也派生自交通工具這一個(gè)基類呢？所以C++的多重繼承很有用，但是又引入了一個(gè)問題（專業(yè)術(shù)語叫做菱形繼承？）。動(dòng)物和交通工具都是從最根本的基類——“事物”繼承而來，事物包含了兩個(gè)最基本的屬性，體積和質(zhì)量。那么動(dòng)物和交通工具都保存了基類成員變量——體積和質(zhì)量的副本。而馬有繼承了這兩個(gè)類，那么馬就有兩份體積和質(zhì)量，這是不合理的，編譯器無法確定使用哪一個(gè)，所以就會(huì)報(bào)錯(cuò)。JAVA中不存在這樣的問題，因?yàn)?/span>JAVA不允許多重繼承，它只可能實(shí)現(xiàn)多個(gè)接口，而接口里面只包含一些函數(shù)聲明不包含成員變量，所以也不存在這樣的問題。

　　這個(gè)問題用具體代碼表述如下所示：

　　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;

　　}

　　這個(gè)代碼會(huì)報(bào)錯(cuò)，因?yàn)?/span>d中保存了兩份A的副本，即有兩個(gè)成員變量a，一般不會(huì)報(bào)錯(cuò)，但是一旦對(duì)D中的a使用，就會(huì)報(bào)一個(gè)“對(duì)a的訪問不明確”。虛繼承就可以解決這個(gè)問題。在探討虛函數(shù)之前，先來一個(gè)sizeof的問題。

　　#include

　　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的是絕對(duì)錯(cuò)的，理由我之前都說了。1也是錯(cuò)的，不解釋。4也是錯(cuò)的，如果B不是虛繼承自A的，那么4就是對(duì)的。正確答案是8，B虛繼承A了之后，比預(yù)想中的多了4個(gè)字節(jié)，這是怎么回事呢？這個(gè)通過調(diào)試是看不出來的，因?yàn)榭床坏筋愃朴?/span>vftable的成員變量（實(shí)際上編譯器生成了一個(gè)類似的東西，但是調(diào)試時(shí)看不到，但是在觀察反匯編的時(shí)候，可以見到vbtable的字樣，應(yīng)該是virtual base table的意思）。

　　虛繼承的提出就是為了解決多重繼承時(shí)，可能會(huì)保存兩份副本的問題，也就是說用了虛繼承就只保留了一份副本，但是這個(gè)副本是被多重繼承的基類所共享的，該怎么實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制呢？編譯器會(huì)在派生類B的實(shí)例中保存一個(gè)A的實(shí)例，然后在B中加入一個(gè)變量，這個(gè)變量是A的實(shí)例在實(shí)際B實(shí)例中的偏移量，實(shí)際上B中并不直接保存offset的值，而是保存的一個(gè)指針，這個(gè)指針指向一個(gè)表vbtable，vbtable表中保存著所有虛繼承的基類在實(shí)例中的offset值，多個(gè)B的實(shí)例共享這個(gè)表，每個(gè)實(shí)例有個(gè)單獨(dú)的指針指向這個(gè)表，這樣就很好理解為什么多了4個(gè)字節(jié)了。用代碼表示就像下面這樣。

　　class A {public:

　　...

　　};

　　int vbtable_of_B[] = {

　　offset(B::_a),

　　...

　　};

　　class B ：virtual public A{private:

　　const int* vbtable = vbtable_of_B;

　　A _a;

　　};

　　每一個(gè)A的虛派生類，都會(huì)有自己的vbtable表，這個(gè)派生類的所有實(shí)例共享這個(gè)表，然后每個(gè)實(shí)例各自保存了一個(gè)指向vbtable表的指針。假如還有一個(gè)類C虛繼承了A，那么編譯器就會(huì)為它自動(dòng)生成一個(gè)vbtable_of_C的表，然后C的實(shí)例都會(huì)有一個(gè)指向這個(gè)vbtable表的指針。

　　假如有多級(jí)的虛繼承會(huì)發(fā)生什么情況，就像下面這段代碼一樣：

　　#include

　　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;

　　}

　　程序運(yùn)行的結(jié)果是16，按照之前的理論，大概會(huì)這么想。基類A里有1個(gè)變量，4個(gè)字節(jié)。B類虛繼承了A，所以它有一個(gè)A的副本和一個(gè)vbtable，還有自己的一個(gè)變量，那就是12字節(jié)。然后C類又虛繼承了B類，那么它有一個(gè)B的副本，一個(gè)vbtable，16字節(jié)。但實(shí)際上通過調(diào)試和反匯編發(fā)現(xiàn)，C中保存分別保存了A和B的副本（不包括B類的vbtable），8字節(jié)。然后有一個(gè)vbtable指針，4字節(jié)，表里面包含了A副本和B副本的偏移量。最后還有一個(gè)無用的4字節(jié)（？），一共16字節(jié)。不僅是這樣，每經(jīng)過一層的虛繼承，便會(huì)多出4字節(jié)。這個(gè)多出來的四字節(jié)在反匯編中沒發(fā)現(xiàn)實(shí)際用途，所以這個(gè)有待探討，不管是編譯器不夠智能，還是有待其它作用，虛繼承和多重繼承都應(yīng)該謹(jǐn)慎使用。

　　還是以上面的例子，假如C類是直接繼承B類，而不是使用虛繼承，那么C類的大小為12字節(jié)。它里面是直接保存了A和B的副本（不包含B的vbtable），然后還有一個(gè)自己的vbtable指針，所以一共12字節(jié)，沒有了上一段所說的最后的4個(gè)字節(jié)。

　　但是如果想下面一種繼承，會(huì)是什么情況？

　　#include

　　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從B，C類派生出來，而B和C又同時(shí)虛繼承了A。輸出的結(jié)構(gòu)是12，實(shí)際調(diào)試反匯編的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，D中繼承了B和C的vbtable，這就是8字節(jié)，而同時(shí)還保存了一個(gè)A的副本，4字節(jié)，總共12字節(jié)。它和上面的多重虛繼承例子里的12字節(jié)是不一樣的。之前一個(gè)例子中只有一個(gè)vbtable，一個(gè)A的實(shí)例，末尾還有一個(gè)未知的4字節(jié)。而這個(gè)例子中是有兩個(gè)僅挨著的vbtable（都有效）和一個(gè)A的實(shí)例。

 

文章來源：碼農(nóng)網(wǎng)