C++辨析系列談之四

2019-11-17 05:06:13

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供稿：網友

　　前言

　　面向對象程序設計的基本觀點是用程式來仿真大千世界，這使得它的各種根本特性非常人性化，如封裝、繼續、多態等等，而虛擬函數就是C++中實現多態性的主將。為了實現多態性，C++編譯器也革命性地提供了動態聯編（或叫晚捆綁）這一特征。

　　虛擬函數亦是MFC編程的要害所在,MFC編程主要有兩種方法：一是響應各種消息，進行對應的消息處理。二就是重載并改寫虛擬函數，來實現自己的某些要求或改變系統的某些默認處理。

　　虛函數的地位是如此的重要，對它進行窮根究底，力求能知其然并知其所以然對我們編程能力的提高大有好處。下面且聽我道來。

　　多態性和動態聯編的實現過程分析

　　一、基礎略提（限于篇幅，請參閱相應的C++書籍）：

　　1、多態性：使用基礎類的指針動態調用其派生類中函數的特性。

　　2、動態聯編：在運行階段，才將函數的調用與對應的函數體進行連接的方式，又叫運行時聯編或晚捆綁。

　　二、過程描述：

　　1、編譯器發現一個類中有虛函數，編譯器會立即為此類生成虛擬函數表 VTABLE（后面有對VTABLE的分析）。虛擬函數表的各表項為指向對應虛擬函數的指針。

　　2、編譯器在此類中隱含插入一個指針VPTR（對VC編譯器來說，它插在類的第一個位置上）。

　　有一個辦法可以讓你感知這個隱含指針的存在，雖然你不能在類中直接看到它，但你可以比較一下含有虛擬函數時的類的尺寸和沒有虛擬函數時的類的尺寸，你能夠發現，這個指針確實存在。

　　class CNoVirtualFun
　　　{
　　　　PRivate:
　　　　LONG lMember;
　　　　public:
　　　　LONG GetMemberValue（);
　　　} class CHaveVirtualFun
　　　{
　　　　private:
　　　　　LONG lMember;
　　　　public:
　　　　　virtual LONG GetMemberValue（);
　　　　}

　　　CNoVirtualFun obj;
　　　sizeof(obj) -> == 4;
　　　CHaveVirtualFun obj;
　　　sizeof(obj) -> == 8;

　　3、在調用此類的構造函數時，在類的構造函數中，編譯器會隱含執行VPTR與VTABLE的關聯代碼，將VPTR指向對應的VTable。這就將類與此類的VTABLE聯系了起來。

　　4、在調用類的構造函數時，指向基礎類的指針此時已經變成指向具體的類的this指針，這樣依靠此this指針即可得到正確的VTABLE，從而實現了多態性。在此時才能真正與函數體進行連接，這就是動態聯編。

更多內容請看C/C++技術專題專題，或
　　三、VTABLE 分析：

　　分析1：虛擬函數表包含此類及其父類的所有虛擬函數的地址。假如它沒有重載父類的虛擬函數，VTABLE中對應表項指向其父類的此函數。反之，指向重載后的此函數。

　　分析2：虛擬函數被繼續后仍然是虛擬函數，虛擬函數非常嚴格地按出現的順序在 VTABLE 中排序，所以確定的虛擬函數對應 VTABLE 中一個固定的位置n，n是一個在編譯時就確定的常量。所以，使用VPTR加上對應的n，就可得到對應函數的入口地址。

　　四、編譯器調用虛擬函數的匯編碼（參考Think in C++）：

　　push FunParam ；先將函數參數壓棧

　　push si ；將this指針壓棧,以確保在當前類上操作

　　mov bx,Word ptr[si] ；因為VC++編譯器將VPTR放在類的第一個位置上，所以bx內為VPTR

　　call word ptr[bx+n] ；調用虛擬函數。n = 所調用的虛擬函數在對應 VTABLE 中的位置

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　　純虛函數：

　　一、引入原因：

　　1、為了方便使用多態特性，我們經常需要在基類中定義虛擬函數。

　　2、在很多情況下，基類本身生成對象是不合情理的。例如，動物作為一個基類可以派生出老虎、孔雀等子類，但動物本身生成對象明顯不合常理。

　　為了解決上述問題，引入了純虛函數的概念，將函數定義為純虛函數（方法：virtual ReturnType Function()= 0;），則編譯器要求在派生類中必須予以重載以實現多態性。同時含有純虛擬函數的類稱為抽象類，它不能生成對象。這樣就很好地解決了上述兩個問題。

　　二、純虛函數實質：

　　1、類中含有純虛函數則它的VTABLE表不完全，有一個空位，所以，不能生成對象（編譯器絕對不答應有調用一個不存在函數的可能）。在它的派生類中，除非重載這個函數，否則，此派生類的VTABLE表亦不完整，亦不能生成對象，即它也成為一個純虛基類。

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　　虛函數與構造、析構函數：

　　1、構造函數本身不能是虛擬函數；并且虛機制在構造函數中不起作用（在構造函數中的虛擬函數只會調用它的本地版本）。

　　想一想，在基類構造函數中使用虛機制，則可能會調用到子類，此時子類尚未生成，有何后果！？。

　　2、析構函數本身經常要求是虛擬函數；但虛機制在析構函數中不起作用。

　　若類中使用了虛擬函數，析構函數一定要是虛擬函數，比如使用虛擬機制調用delete,沒有虛擬的析構函數，怎能保證delete的是你希望delete的對象。

　　虛機制也不能在析構函數中生效，因為可能會引起調用已經被delete掉的類的虛擬函數的問題。

　　對象切片：

　　向上映射(子類被映射到父類)的時候，會發生子類的VTABLE 完全變成父類的VTABLE的情況。這就是對象切片。

　　原因：向上映射的時候，接口會變窄，而編譯器絕對不答應有調用一個不存在函數的可能，所以，子類中新派生的虛擬函數的入口在VTABLE中會被強行“切”掉，從而出現上述情況。

　　虛擬函數使用的缺點

　　優點講了一大堆，現在談一下缺點，虛函數最主要的缺點是執行效率較低，看一看虛擬函數引發的多態性的實現過程，你就能體會到其中的原因。

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