為什么要了解C++的對(duì)象模型艰管，我覺得第一點(diǎn)就是了解了C++的對(duì)象模型之后可以避免很多C++的錯(cuò)誤寫法闷游；第二點(diǎn)可以加深對(duì)C++編譯器的理解镊尺，了解C++編譯器在編譯的時(shí)候做了哪些幕后工作悲立；第三點(diǎn)是可以加強(qiáng)對(duì)計(jì)算機(jī)底層的理解，并且可以可以增加對(duì)C語言的理解档冬。文中的內(nèi)容膘茎，是我讀了《深度探索C++對(duì)象模型》這本書之后的一點(diǎn)心得體會(huì)。所有的例子的運(yùn)行環(huán)境是VS2013,64位酷誓，Windows10系統(tǒng)披坏。
如果父類有虛函數(shù)，那么子類可以覆寫父類的虛函數(shù)盐数，達(dá)到多態(tài)的效果棒拂。但問題是，在編譯器編譯的時(shí)候不能確定該調(diào)用哪一個(gè)函數(shù)娘扩，所以只能在運(yùn)行時(shí)確定着茸。要在運(yùn)行時(shí)確定壮锻，類對(duì)象里面就必須有虛函數(shù)地址的信息。很明顯涮阔，如果把每個(gè)虛函數(shù)的地址都存入對(duì)象中猜绣，是很浪費(fèi)的，所以對(duì)象里面僅僅保存一個(gè)指向一個(gè)含有類中所有虛函數(shù)地址的指針敬特，這個(gè)地址就是虛函數(shù)表掰邢。相同類對(duì)象的虛函數(shù)表是相同的，所以每個(gè)類的虛函數(shù)表在內(nèi)存中只有一份伟阔。虛函數(shù)表和指針都是在編譯器編譯的時(shí)候加進(jìn)去的辣之，不同的編譯器在實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)上有差別，這里以VS2013為例皱炉。
虛函數(shù)指針的位置
按常理來說怀估，虛函數(shù)指針不可能放在類對(duì)象的中間，只能放在頭部和尾部合搅。這樣就比較好確定了多搀，如下的代碼就可以區(qū)分是否在頭部。
#include<iostream>
using namespace std;
class A{
public:
int val;
virtual void func(){
cout << "A::func()" << endl;
}
};
int main(){
A a;
char *p1 = (char *)&a;
char *p2 = (char *)&a.val;
if (p1 != p2){
cout << "start" << endl;
}
else{
cout << "end" << endl;
}
return 0;
}
在VS2013中灾部，虛函數(shù)指針被放在了對(duì)象的頭部康铭。
通過虛函數(shù)地址調(diào)用虛函數(shù)
先看下面的代碼：
#include<iostream>
using namespace std;
class A{
public:
int val = 100;
virtual void f1(){
cout << "A::f1()" << endl;
}
virtual void f2(){
cout << "A.val = " << val << endl;
}
};
typedef void(*func)(A *a);
int main(){
A a;
func** pvptr = (func **)&a;
func* vptr = *pvptr;
for (int i = 0; i < 2; i++){
vptr[i](&a);
}
return 0;
}
為了簡(jiǎn)單起見，這里虛函數(shù)的參數(shù)和返回值都是一樣的赌髓，值得注意的是从藤，如果使用這種方式調(diào)用函數(shù)，第一個(gè)參數(shù)需要傳入this指針锁蠕，不然會(huì)出問題夷野。虛函數(shù)表是類型為func的數(shù)組，而a的首地址存的是func*類型的匿沛，再對(duì)a取地址扫责，得到的是func**類型。運(yùn)行結(jié)果表明逃呼，在虛函數(shù)表中虛函數(shù)的排列是按照虛函數(shù)的聲明順序來排列的鳖孤，這也是符合一般的習(xí)慣。
可以使用VS2013中提供的命令行提示工具來查看生成類的布局抡笼，在命令行提示工具中輸入：
/* cl /d1 reportSingleClassLayout類名 源文件名 */
cl /d1 reportSingleClassLayoutA virtual_function.cpp
就可以打印出類A的相關(guān)信息苏揣。在Linux下，也有類似的命令：
g++ -fdump -class -hierarchy -fsyntax -only 源文件名
在輸出中可以看到如下的內(nèi)容：
class A size(16):
+---
0 | {vfptr}
8 | val
| <alignment member> (size=4)
+---
A::$vftable@:
| &A_meta
| 0
0 | &A::f1
1 | &A::f2
可以看出類A的布局的確如上面所說推姻。
靜態(tài)聯(lián)編和動(dòng)態(tài)聯(lián)編
簡(jiǎn)單的說平匈，靜態(tài)聯(lián)編就是在編譯的時(shí)候就確定函數(shù)的調(diào)用地址，而動(dòng)態(tài)聯(lián)編就是在運(yùn)行時(shí)在確定函數(shù)調(diào)用的地址。在C++中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聯(lián)編需要同時(shí)滿足以下三個(gè)條件：虛函數(shù)增炭，繼承關(guān)系忍燥，基類指針或引用指向子類對(duì)象。這會(huì)導(dǎo)致下面的區(qū)別：
#include<iostream>
using namespace std;
class A{
public:
int val = 100;
virtual void f(){
cout << "A::f()" << endl;
}
};
class B :public A{
public:
virtual void f() override{
cout << "B::f()" << endl;
}
};
typedef void(*func)();
int main(){
B b;
A a = b;
A *pa = &b;
a.f();
pa->f();
func **vpa = (func **)&b;
func *va = *vpa;
(*va)();
return 0;
}
運(yùn)行程序隙姿，會(huì)發(fā)現(xiàn)以下的現(xiàn)象梅垄，使用a.f()調(diào)用的父類的方法，而直接使用虛函數(shù)調(diào)用還是調(diào)用的是父類的方法输玷。說明虛函數(shù)指針在賦值的時(shí)候也是被修改了的队丝。通過反匯編，可以發(fā)現(xiàn)欲鹏，使用a.f()調(diào)用的時(shí)候是直接跳轉(zhuǎn)到函數(shù)地址机久，而使用pa->f()調(diào)用需要的步驟更多，說明pa->f()是動(dòng)態(tài)聯(lián)編赔嚎，在運(yùn)行的是才決定調(diào)用哪個(gè)函數(shù)膘盖。
a.f();
00007FF7523B4B2D lea rcx,[a]
00007FF7523B4B32 call A::f (07FF7523B1190h)
pa->f();
00007FF7523B4B37 mov rax,qword ptr [pa]
00007FF7523B4B3C mov rax,qword ptr [rax]
00007FF7523B4B3F mov rcx,qword ptr [pa]
00007FF7523B4B44 call qword ptr [rax]
虛函數(shù)指針有關(guān)的錯(cuò)誤
先看下面一個(gè)程序：
#include<iostream>
using namespace std;
class A{
public:
int val;
virtual void f(){
cout << "A::f()" << endl;
}
A(){
memset(this, 0, sizeof(A));
}
A(const A& obj){
memcpy(this, &obj, sizeof(A));
}
};
class B :public A{
public:
virtual void f() override{
cout << "B::f()" << endl;
}
};
int main(){
A *a1 = new A();
//a1->f();
B b;
A a(b);
a.f();
A *p = &a;
p->f();
return 0;
}
這個(gè)程序有兩個(gè)問題，第一個(gè)尽狠，a1->f()會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤衔憨，第二，a.f()調(diào)用的是A的函數(shù)袄膏，p->f()調(diào)用的是B的函數(shù)掺冠。其實(shí)是使用memset會(huì)把虛函數(shù)指針清空沉馆，而memcpy會(huì)把虛函數(shù)指針也賦值德崭。第一個(gè)a.f()因?yàn)槭庆o態(tài)聯(lián)編，沒有經(jīng)過虛函數(shù)指針眉厨。
如果出現(xiàn)了這種奇怪的錯(cuò)誤锌奴，不懂虛函數(shù)指針，會(huì)覺得非常奇怪憾股。
