C++ Virtual總結

虛函數表

C++中的虛函數的實現一般是通過虛函數表(C++規範並沒有規定具體用哪種方法，但大部分的編譯器廠商都選擇此方法)。

類的虛函數表是一塊連續的內存，每個內存單元中記錄一個JMP指令的地址。

注意的是，編譯器會爲每個有虛函數的類創建一個虛函數表，該虛函數表將被該類的所有對象共享。類的每個虛成員佔據虛函數表中的一行。如果類中有N個虛函數，那麼其虛函數表將有N*4字節的大小。

虛函數（Virtual Function）是通過一張虛函數表來實現的。簡稱爲V-Table。在這個表中，主要是一個類的虛函數的地址表，這張表解決了繼承、覆蓋的問題，保證其真實反應實際的函數。這樣，在有虛函數的類的實例中分配了指向這個表的指針的內存，所以，當用父類的指針來操作一個子類的時候，這張虛函數表就顯得尤爲重要了，它就像一個地圖一樣，指明瞭實際所應該調用的函數。

編譯器應該是保證虛函數表的指針存在於對象實例中最前面的位置（這是爲了保證取到虛函數表的有最高的性能——如果有多層繼承或是多重繼承的情況下）。 這意味着可以通過對象實例的地址得到這張虛函數表，然後就可以遍歷其中函數指針，並調用相應的函數。

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c++是一門面向對象的語言，但是它和c#，java不同，它沒有反射機制。沒有反射機制使得c++在語言的一些設計方面與其他語言有點不一樣，主要體現在智能化方面，許多東西得程序員明確指定，例如本文要講的virtual關鍵字。virtual是在運行時才體現的，而c++在運行時無法使用反射來確定當前類的父類是否有此方法，此方法是否被重載等信息，所以必須在寫代碼時用virtual來明確指明，然後通過編譯器做一些特殊處理（也就是使用虛表）。

我們見到virtual最多的地方是在c++裏面的多態實現。

// dynamic_poly.h
#include <iostream>
// 公共抽象基類Vehicle
class Vehicle
{
public:
    virtual void run() const = 0;
};
// 派生於Vehicle的具體類Car
class Car: public Vehicle
{
public:
    virtual void run() const
    {
        std::cout << "run a car/n";
    }
};
// 派生於Vehicle的具體類Airplane
class Airplane: public Vehicle
{
public:
    virtual void run() const
    {
        std::cout << "run a airplane/n";
    }
};

 

// dynamic_poly_1.cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include "dynamic_poly.h"
// 通過指針run任何vehicle
void run_vehicle(const Vehicle* vehicle)
{
    vehicle->run();            // 根據vehicle的具體類型調用對應的run()
}
int main()
{
    Car car;
    Airplane airplane;
    run_vehicle(&car);         // 調用Car::run()
    run_vehicle(&airplane);    // 調用Airplane::run()
}

 

上面的例子來自於http://www.vckbase.com/document/viewdoc/?id=948，這篇文章裏面還提到了多態的一些別的例子。關於多態的文章還有孟巖寫的一篇http://blog.csdn.net/wuliming_sc/archive/2009/01/31/3855906.aspx，可以看看。

在很多多態的例子中，我們都可以看到將基類的方法聲明爲純虛函數（virtual void run() const = 0;），這樣可以要求子類必須實現這個方法，同時可以體現面向接口編程。

對於使用了virtual之後編譯器會做些什麼，我覺得用代碼更容易說明問題。下面的例子來自http://www.cppblog.com/zhangyq/archive/2009/06/13/87597.html。

1 編譯器會爲這個類的虛函數添加一個虛表，類似下面的： 
// Pseudo-code (not C++, not C) for a static table defined within file Base.cpp 
// Pretend FunctionPtr is a generic pointer to a generic member function 
// (Remember: this is pseudo-code, not C++ code) 
FunctionPtr Base::__vtable[5] = { 
   &Base::virt0, &Base::virt1, &Base::virt2, &Base::virt3, &Base::virt4 
};

2 然後增加一個指向虛表的指針爲每一個類對象，這個指針是隱藏的 
// Your original C++ source code 
class Base { 
public: 
   ... 
   FunctionPtr* __vptr;  ← supplied by the compiler, hidden from the programmer 
   ... 
}; 
3 編譯器在構造中初始化這個指針 
Base::Base(...arbitrary params...) 
   : __vptr(&Base::__vtable[0])  ← supplied by the compiler, hidden from the programmer 
   ... 
{ 
   ... 
} 
在派生類中，它也會增加一個隱藏的虛表，但是它可以overrides基類的虛函數如： 
// Pseudo-code (not C++, not C) for a static table defined within file Der.cpp 
// Pretend FunctionPtr is a generic pointer to a generic member function 
// (Remember: this is pseudo-code, not C++ code) 
FunctionPtr Der::__vtable[5] = { 
   &Der::virt0, &Der::virt1, &Der::virt2, &Base::virt3, &Base::virt4 
};   

從上面的代碼我們可以非常容易的劃出class的結構圖，當然可以用/d1reportSingleClassLayout來顯示class的佈局圖（http://blog.csdn.net/chief1985/archive/2009/10/23/4720191.aspx）。

使用virtual的地方還有虛擬繼承和虛擬析構函數。

虛擬繼承的例子如下，來自http://blog.csdn.net/wuliming_sc/archive/2009/01/31/3855607.aspx：

class Point2d{
public:
//...
protected:
float _x;
float _y;
};
class Vertex : public virtual Point2d{
public:
//...
protected:
Vertex *next;
};
class Point3d : public virtual Point2d{
public:
//...
protected:
float _z;
};
class Vertex3d: public Vertex, public Point3d{
public:
//...
protected:
float mumble;
};

 

使用虛擬繼承一般都是出現了菱形繼承（c++允許多重繼承），這種情況下若不使用虛擬繼承，便會導致以下情況：

1.公共基類子對象的重複創建問題。

2.成員函數的名字衝突問題

3. 數據成員的名字衝突問題