C++辨析系列谈(四)

C++辨析系列谈之四
2001-04-28? 郑力群 ?yesky

　　前言

　　面向对象程序设计的基本观点是用程式来仿真大千世界，这使得它的各种根本特性非常人性化，如封装、继承、多态等等，而虚拟函数就是C++中实现多态性的主将。为了实现多态性，C++编译器也革命性地提供了动态联编（或叫晚捆绑）这一特征。

　　虚拟函数亦是MFC编程的关键所在,MFC编程主要有两种方法：一是响应各种消息，进行对应的消息处理。二就是重载并改写虚拟函数，来实现自己的某些要求或改变系统的某些默认处理。

　　虚函数的地位是如此的重要，对它进行穷根究底，力求能知其然并知其所以然 对我们编程能力的提高大有好处。下面且听我道来。

　　多态性和动态联编的实现过程分析

　　一、基础略提（限于篇幅，请参阅相应的C++书籍）：

　　1、多态性：使用基础类的指针动态调用其派生类中函数的特性。

　　2、动态联编：在运行阶段，才将函数的调用与对应的函数体进行连接的方式，又叫运行时联编或晚捆绑。

　　二、过程描述：

　　1、编译器发现一个类中有虚函数，编译器会立即为此类生成虚拟函数表 VTABLE（后面有对VTABLE的分析）。虚拟函数表的各表项为指向对应虚拟函数的指针。

　　2、编译器在此类中隐含插入一个指针VPTR（对VC编译器来说，它插在类的第一个位置上）。

　　有一个办法可以让你感知这个隐含指针的存在，虽然你不能在类中直接看到它，但你可以比较一下含有虚拟函数时的类的尺寸和没有虚拟函数时的类的尺寸，你能够发现，这个指针确实存在。

　　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、在调用此类的构造函数时，在类的构造函数中，编译器会隐含执行VPTR与VTABLE的关联代码，将VPTR指向对应的VTable。这就将类与此类的VTABLE联系了起来。

　　4、在调用类的构造函数时，指向基础类的指针此时已经变成指向具体的类的this指针，这样依靠此this指针即可得到正确的VTABLE，从而实现了多态性。在此时才能真正与函数体进行连接，这就是动态联编。
　　三、VTABLE 分析：

　　分析1：虚拟函数表包含此类及其父类的所有虚拟函数的地址。如果它没有重载父类的虚拟函数，VTABLE中对应表项指向其父类的此函数。反之，指向重载后的此函数。

　　分析2：虚拟函数被继承后仍旧是虚拟函数，虚拟函数非常严格地按出现的顺序在 VTABLE 中排序，所以确定的虚拟函数对应 VTABLE 中一个固定的位置n，n是一个在编译时就确定的常量。所以，使用VPTR加上对应的n，就可得到对应函数的入口地址。

　　四、编译器调用虚拟函数的汇编码（参考Think in C++）：

　　push FunParam ；先将函数参数压栈

　　push si ；将this指针压栈,以确保在当前类上操作

　　mov bx,word ptr[si] ；因为VC++编译器将VPTR放在类的第一个位置上，所以bx内为VPTR

　　call word ptr[bx+n] ；调用虚拟函数。n = 所调用的虚拟函数在对应 VTABLE 中的位置

　　纯虚函数：

　　一、引入原因：

　　1、为了方便使用多态特性，我们常常需要在基类中定义虚拟函数。

　　2、在很多情况下，基类本身生成对象是不合情理的。例如，动物作为一个基类可以派生出老虎、孔雀等子类，但动物本身生成对象明显不合常理。

　　为了解决上述问题，引入了纯虚函数的概念，将函数定义为纯虚函数（方法：virtual ReturnType Function()= 0;），则编译器要求在派生类中必须予以重载以实现多态性。同时含有纯虚拟函数的类称为抽象类，它不能生成对象。这样就很好地解决了上述两个问题。

　　二、纯虚函数实质：

　　1、类中含有纯虚函数则它的VTABLE表不完全，有一个空位，所以，不能生成对象（编译器绝对不允许有调用一个不存在函数的可能）。在它的派生类中，除非重载这个函数，否则，此派生类的VTABLE表亦不完整，亦不能生成对象，即它也成为一个纯虚基类。

　　虚函数与构造、析构函数：

　　1、构造函数本身不能是虚拟函数；并且虚机制在构造函数中不起作用（在构造函数中的虚拟函数只会调用它的本地版本）。

　　想一想，在基类构造函数中使用虚机制，则可能会调用到子类，此时子类尚未生成，有何后果！？。

　　2、析构函数本身常常要求是虚拟函数；但虚机制在析构函数中不起作用。

　　若类中使用了虚拟函数，析构函数一定要是虚拟函数，比如使用虚拟机制调用delete,没有虚拟的析构函数，怎能保证delete的是你希望delete的对象。

　　虚机制也不能在析构函数中生效，因为可能会引起调用已经被delete掉的类的虚拟函数的问题。

　　对象切片：

　　向上映射(子类被映射到父类)的时候，会发生子类的VTABLE 完全变成父类的VTABLE的情况。这就是对象切片。

　　原因：向上映射的时候，接口会变窄，而编译器绝对不允许有调用一个不存在函数的可能，所以，子类中新派生的虚拟函数的入口在VTABLE中会被强行“切”掉，从而出现上述情况。

　　虚拟函数使用的缺点

　　优点讲了一大堆，现在谈一下缺点，虚函数最主要的缺点是执行效率较低，看一看虚拟函数引发的多态性的实现过程，你就能体会到其中的原因。