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定义

  虚函数必须是基类的非静态成员函数,其访问权限可以是protected或public,在基类的类定义中定义虚函数的一般形式:

  virtual 函数返回值类型 虚函数名(形参表)

  { 函数体 }

作用

  虚函数的作用是实现动态联编,也就是在程序的运行阶段动态地选择合适的成员函数,在定义了虚函数后,可以在基类的派生类中对虚函数重新定义,在派生类中重新定义的函数应与虚函数具有相同的形参个数和形参类型。以实现统一的接口,不同定义过程。如果在派生类中没有对虚函数重新定义,则它继承其基类的虚函数。

  当程序发现虚函数名前的关键字virtual后,会自动将其作为动态联编处理,即在程序运行时动态地选择合适的成员函数。

  动态联编规定,只能通过指向基类的指针或基类对象的引用来调用虚函数,其格式:

  指向基类的指针变量名->虚函数名(实参表)

  或 基类对象的引用名. 虚函数名(实参表)

  虚函数是C++多态的一种表现

  例如:子类继承了父类的一个函数(方法),而我们把父类的指针指向子类,则必须把父类的该函数(方法)设为virtual(虚函数)。

  使用虚函数,我们可以灵活的进行动态绑定,当然是以一定的开销为代价。如果父类的函数(方法)根本没有必要或者无法实现,完全要依赖子类去实现的话,可以把此函数(方法)设为virtual 函数名=0我们把这样的函数(方法)称为纯虚函数。

  如果一个类包含了纯虚函数,称此类为抽象类 。

示例

虚函数的实例

  #include<iostream.h>

  class Cshape

  { public: void SetColor( int color) { m_nColor=color;}

  void virtual Display( void) { cout<<"Cshape"<<endl; }

  private:

  int m_nColor;

  };

  class Crectangle: public Cshape

  {

  public:

  void virtual Display( void) {cout<<"Crectangle"<<endl; }

  };

  class Ctriangle: public Cshape

  {

  void virtual Display( void) {cout<<"Ctriangle"<<endl; }

  };

  class Cellipse :public Cshape

  {

  public: void virtual Display(void) {cout<<"Cellipse"<<endl;}

  };

  void main()

  {

  Cshape obShape;

  Cellipse obEllipse;

  Ctriangle obTriangle;

  Crectangle obRectangle;

  Cshape * pShape[4]=

  { &obShape, &obEllipse,&obTriangle, & obRectangle};

  for( int I= 0; I< 4; I++)

  pShape[I]->Display( );

  }

  本程序运行结果:

  Cshape

  Cellipse

  Ctriangle

  Crectangle

条件

  所以,从以上程序分析,实现动态联编需要三个条件:

  1、 必须把动态联编的行为定义为类的虚函数。

  2、 类之间存在子类型关系,一般表现为一个类从另一个类公有派生而来。

  3、 必须先使用基类指针指向子类型的对象,然后直接或者间接使用基类指针调用虚函数。

其他信息

  定义虚函数的限制: (1)非类的成员函数不能定义为虚函数,类的成员函数中静态成员函数和构造函数也不能定义为虚函数,但可以将析构函数定义为虚函数。实际上,优秀的程序员常常把基类的析构函数定义为虚函数。因为,将基类的析构函数定义为虚函数后,当利用delete删除一个指向派生类定义的对象指针时,系统会调用相应的类的析构函数。而不将析构函数定义为虚函数时,只调用基类的析构函数。

  (2)只需要在声明函数的类体中使用关键字“virtual”将函数声明为虚函数,而定义函数时不需要使用关键字“virtual”。

  (3)当将基类中的某一成员函数声明为虚函数后,派生类中的同名函数自动成为虚函数。

  (4)如果声明了某个成员函数为虚函数,则在该类中不能出现和这个成员函数同名并且返回值、参数个数、类型都相同的非虚函数。在以该类为基类的派生类中,也不能出现这种同名函数。

  
虚函数联系到多态,多态联系到继承。所以本文中都是在继承层次上做文章。没了继承,什么都没得谈。

c++的虚函数

  下面是对C++的虚函数这玩意儿的理解。

一, 什么是虚函数

  (如果不知道虚函数为何物,但又急切的想知道,那你就应该从这里开始)

  简单地说,那些被virtual关键字修饰的成员函数,就是虚函数。虚函数的作用,用专业术语来解释就是实现多态性(Polymorphism),多态性是将接口与实现进行分离;用形象的语言来解释就是实现以共同的方法,但因个体差异而采用不同的策略。下面来看一段简单的代码

  class A{

  public:

  void print(){ cout<<”This is A”<<endl;}

  };

  class B:public A{

  public:

  void print(){ cout<<”This is B”<<endl;}

  };

  int main(){ //为了在以后便于区分,我这段main()代码叫做main1

  A a;

  B b;

  a.print();

  b.print();

  }

  通过class A和classB的print()这个接口,可以看出这两个class因个体的差异而采用了不同的策略,输出的结果也是我们预料中的,分别是This isA和This isB。但这是否真正做到了多态性呢?No,多态还有个关键之处就是一切用指向基类的指针或引用来操作对象。那现在就把main()处的代码改一改。

  int main(){ //main2

  A a;

  B b;

  A* p1=&a;

  A* p2=&b;

  p1->print();

  p2->print();

  }

  运行一下看看结果,哟呵,蓦然回首,结果却是两个This is A。问题来了,p2明明指向的是classB的对象但却是调用的class A的print()函数,这不是我们所期望的结果,那么解决这个问题就需要用到虚函数

  class A{

  public:

  virtual void print(){ cout<<”This is A”<<endl;}//现在成了虚函数了

  };

  class B:public A{

  public:

  void print(){ cout<<”This is B”<<endl;}//这里需要在前面加上关键字virtual吗?

  };

  毫无疑问,class A的成员函数print()已经成了虚函数,那么classB的print()成了虚函数了吗?回答是Yes,我们只需在把基类的成员函数设为virtual,其派生类的相应的函数也会自动变为虚函数。所以,classB的print()也成了虚函数。那么对于在派生类的相应函数前是否需要用virtual关键字修饰,那就是你自己的问题了。

  现在重新运行main2的代码,这样输出的结果就是This is A和This is B了。

  现在来消化一下,我作个简单的总结,指向基类的指针在操作它的多态类对象时,会根据不同的类对象,调用其相应的函数,这个函数就是虚函数。

二, 虚函数是如何做到的

  (如果你没有看过《Inside The C++ Object Model》这本书,但又急切想知道,那你就应该从这里开始)

  虚函数是如何做到因对象的不同而调用其相应的函数的呢?现在我们就来剖析虚函数。我们先定义两个类

  class A{ //虚函数示例代码

  public:

  virtual void fun(){cout<<1<<endl;}

  virtual void fun2(){cout<<2<<endl;}

  };

  class B:public A{

  public:

  void fun(){cout<<3<<endl;}

  void fun2(){cout<<4<<endl;}

  };

  由于这两个类中有虚函数存在,所以编译器就会为他们两个分别插入一段你不知道的数据,并为他们分别创建一个表。那段数据叫做vptr指针,指向那个表。那个表叫做vtbl,每个类都有自己的vtbl,vtbl的作用就是保存自己类中虚函数的地址,我们可以把vtbl形象地看成一个数组,这个数组的每个元素存放的就是虚函数的地址,请看图

  
通过左图,可以看到这两个vtbl分别为class A和class B服务。现在有了这个模型之后,我们来分析下面的代码

  A *p=new A;

  p->fun();

  毫无疑问,调用了A::fun(),但是A::fun()是如何被调用的呢?它像普通函数那样直接跳转到函数的代码处吗?No,其实是这样的,首先是取出vptr的值,这个值就是vtbl的地址,再根据这个值来到vtbl这里,由于调用的函数A::fun()是第一个虚函数,所以取出vtbl第一个slot里的值,这个值就是A::fun()的地址了,最后调用这个函数。现在我们可以看出来了,只要vptr不同,指向的vtbl就不同,而不同的vtbl里装着对应类的虚函数地址,所以这样虚函数就可以完成它的任务。

  而对于class A和class B来说,他们的vptr指针存放在何处呢?其实这个指针就放在他们各自的实例对象里。由于classA和classB都没有数据成员,所以他们的实例对象里就只有一个vptr指针。通过上面的分析,现在我们来实作一段代码,来描述这个带有虚函数的类的简单模型。

  #include<iostream>

  using namespace std;

  //将上面“虚函数示例代码”添加在这里

  int main(){

  void (*fun)(A*);

  A *p=new B;

  long lVptrAddr;

  memcpy(&lVptrAddr,p,4);

  memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4);

  fun(p);

  delete p;

  system("pause");

  }

  用VC或Dev-C++编译运行一下,看看结果是不是输出3,如果不是,那么太阳明天肯定是从西边出来。现在一步一步开始分析

  void (*fun)(A*);这段定义了一个函数指针名字叫做fun,而且有一个A*类型的参数,这个函数指针待会儿用来保存从vtbl里取出的函数地址

  A* p=new B; newB是向内存(内存分5个区:全局名字空间,自由存储区,寄存器,代码空间,栈)自由存储区申请一个内存单元的地址然后隐式地保存在一个指针中.然后把这个地址附值给A类型的指针P.

  .

  long lVptrAddr; 这个long类型的变量待会儿用来保存vptr的值

  memcpy(&lVptrAddr,p,4);前面说了,他们的实例对象里只有vptr指针,所以我们就放心大胆地把p所指的4bytes内存里的东西复制到lVptrAddr中,所以复制出来的4bytes内容就是vptr的值,即vtbl的地址

  现在有了vtbl的地址了,那么我们现在就取出vtbl第一个slot里的内容

  memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4);取出vtbl第一个slot里的内容,并存放在函数指针fun里。需要注意的是lVptrAddr里面是vtbl的地址,但lVptrAddr不是指针,所以我们要把它先转变成指针类型

  fun(p);这里就调用了刚才取出的函数地址里的函数,也就是调用了B::fun()这个函数,也许你发现了为什么会有参数p,其实类成员函数调用时,会有个this指针,这个p就是那个this指针,只是在一般的调用中编译器自动帮你处理了而已,而在这里则需要自己处理。

  delete p; 释放由p指向的自由空间;

  system("pause"); 屏幕暂停;

  如果调用B::fun2()怎么办?那就取出vtbl的第二个slot里的值就行了

  memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr+4),4);为什么是加4呢?因为一个指针的长度是4bytes,所以加4。或者memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr)+1,4);这更符合数组的用法,因为lVptrAddr被转成了long*型别,所以+1就是往后移sizeof(long)的长度

三, 以一段代码开始

  #include<iostream>

  using namespace std;

  class A{ //虚函数示例代码2

  public:

  virtual void fun(){ cout<<"A::fun"<<endl;}

  virtual void fun2(){cout<<"A::fun2"<<endl;}

  };

  class B:public A{

  public:

  void fun(){ cout<<"B::fun"<<endl;}

  void fun2(){ cout<<"B::fun2"<<endl;}

  }; //end//虚函数示例代码2

  int main(){

  void (A::*fun)(); //定义一个函数指针

  A *p=new B;

  fun=&A::fun;

  (p->*fun)();

  fun = &A::fun2;

  (p->*fun)();

  delete p;

  system("pause");

  }

  你能估算出输出结果吗?如果你估算出的结果是A::fun和A::fun2,呵呵,恭喜恭喜,你中圈套了。其实真正的结果是B::fun和B::fun2,如果你想不通就接着往下看。给个提示,&A::fun和&A::fun2是真正获得了虚函数的地址吗?

  首先我们回到第二部分,通过段实作代码,得到一个“通用”的获得虚函数地址的方法

  #include<iostream>

  using namespace std;

  //将上面“虚函数示例代码2”添加在这里

  void CallVirtualFun(void* pThis,int index=0){

  void (*funptr)(void*);

  long lVptrAddr;

  memcpy(&lVptrAddr,pThis,4);

  memcpy(&funptr,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr)+index,4);

  funptr(pThis); //调用

  }

  int main(){

  A* p=new B;

  CallVirtualFun(p); //调用虚函数p->fun()

  CallVirtualFun(p,1);//调用虚函数p->fun2()

  system("pause");

  }

CallVirtualFun方法

  现在我们拥有一个“通用”的CallVirtualFun方法。

  这个通用方法和第三部分开始处的代码有何联系呢?联系很大。由于A::fun()和A::fun2()是虚函数,所以&A::fun和&A::fun2获得的不是函数的地址,而是一段间接获得虚函数地址的一段代码的地址,我们形象地把这段代码看作那段CallVirtualFun。编译器在编译时,会提供类似于CallVirtualFun这样的代码,当你调用虚函数时,其实就是先调用的那段类似CallVirtualFun的代码,通过这段代码,获得虚函数地址后,最后调用虚函数,这样就真正保证了多态性。同时大家都说虚函数的效率低,其原因就是,在调用虚函数之前,还调用了获得虚函数地址的代码。

最后的说明:

  本文的代码可以用VC6和Dev-C++4.9.8.0通过编译,且运行无问题。其他的编译器小弟不敢保证。其中,里面的类比方法只能看成模型,因为不同的编译器的低层实现是不同的。例如this指针,Dev-C++的gcc就是通过压栈,当作参数传递,而VC的编译器则通过取出地址保存在ecx中。所以这些类比方法不能当作具体实现

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