虛數(shù)？虛繼承？虛函數(shù)？

從內(nèi)存分布角度解釋”虛“原理？

看到這個(gè)題目的時(shí)候，學(xué)法的我表情是這樣的。

然而，我樸素的法感情告訴我這樣的內(nèi)容難不倒我一個(gè)法律人。

幸好，我還有搜索引擎還有同組同學(xué)的幫助。

讓我們看看”虛“到底是什么~

1.虛繼承

我們從目的和實(shí)現(xiàn)原理方面來看虛繼承

什么？虛繼承還有目的？來人啊，快把這要謀害我樸素法感情的人拿下！

1.1虛繼承的目的

        虛繼承是解決C++多重繼承問題的一種手段，從不同途徑繼承來的同一基類，會(huì)在子類中存在多份拷貝。

這將存在兩個(gè)問題：

其一，浪費(fèi)存儲(chǔ)空間。

其二，存在二義性問題。

通常可以將派生類對(duì)象的地址賦值給基類對(duì)象，實(shí)現(xiàn)的具體方式是，將基類指針指向繼承類（繼承類有基類的拷貝）中的基類對(duì)象的地址，但是多重繼承可能存在一個(gè)基類的多份拷貝，這就出現(xiàn)了二義性。

1.2一般繼承的實(shí)現(xiàn)原理

那么虛繼承是通過什么方式解決這兩個(gè)問題的呢？

我們要從內(nèi)存分布的角度來解釋原理。

因此需要知道一點(diǎn)visual studio開發(fā)人員命令行的知識(shí)。

我們首先從VS安裝目錄中打開開發(fā)人員命令行

進(jìn)入到對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的目錄，然后輸入命令

cl -d1reportAllClassLayout yuan.cpp

這樣命令行界面就會(huì)給出該cpp里定義的所有類的內(nèi)存布局

如果想要特定類的內(nèi)存布局，可以輸入命令

cl -d1reportSingleClassLayout[類名] yuan.cpp

有了這樣的技術(shù)支持，我們就可以來探究虛繼承的內(nèi)存分布了。

我們可以用visual studio新建項(xiàng)目，新建yuan.cpp，輸入如下代碼

打開開發(fā)人員命令行，進(jìn)入項(xiàng)目的目錄，輸入

cl -d1reportAllClassLayout yuan.cpp

可以得到我們定義的ABCD類的布局

可以看到，普通繼承時(shí)

類D包含的成員有（DataA,DataB,DataA,DataC,DataD）

int DataA出現(xiàn)了兩次，因此類D的內(nèi)存大小為20

因此出現(xiàn)了內(nèi)存的浪費(fèi)和二義性問題。

我們將繼承方式改為虛繼承，代碼如下

使用命令行查看類ABCD新的內(nèi)存布局

可以預(yù)見A的內(nèi)存布局并不會(huì)改變。

而B和C占用的內(nèi)存從8變?yōu)?2，因?yàn)槠渲卸嗔艘粋€(gè)指針成員vbptr，vbptr指向了vbtable，我們將vbptr稱為虛指針，將vbtable稱為虛表。

再來看看D的內(nèi)存分布

D占用的內(nèi)存從20變?yōu)?4，但D中的成員相比于普通繼承只有一個(gè)DataA，而多了兩個(gè)分別繼承自B和C的虛指針vbptr。

那么虛指針到底是什么呢？

D的內(nèi)存布局其實(shí)已經(jīng)為我們提供了解答，我們可以看到兩個(gè)指針分別指向兩個(gè)虛表，虛表中記錄了vbptr與本類的偏移地址。

在本例子中，類B的vbptr指向了虛表D::$vbtable$@B@,虛表表明公共基類A的成員變量dataA距離類B開始處的位移為20，這樣就找到了成員變量dataA，類C的指針也對(duì)應(yīng)指向虛表，而虛表最終表示的偏移和B的虛表相同，這樣D中的成員就只有一個(gè)DataA，解決了二義性的問題。

但是我們可以看到，實(shí)際上使用虛繼承后BCD類的占用的內(nèi)存都變得更多了，并沒有解決內(nèi)存浪費(fèi)的問題。

這是因?yàn)槲覀冾怉的成員只有一個(gè)int類變量，如果A中的成員更復(fù)雜，占用更多的內(nèi)存，使用虛繼承時(shí)內(nèi)存的占用要比普通繼承少很多。

在寫完這些，我陷入的對(duì)自己人生的懷疑“我是誰，我在哪，我在干什么？然而這些都不能阻擋我接下來學(xué)習(xí)虛函數(shù)的熱情

2.虛函數(shù)

2.1虛函數(shù)的目的

在同一類中是不能定義兩個(gè)名字相同、參數(shù)個(gè)數(shù)和類型都相同的函數(shù)的，否則就是“重復(fù)定義”。

但是在類的繼承層次結(jié)構(gòu)中，在不同的層次中可以出現(xiàn)名字相同、參數(shù)個(gè)數(shù)和類型都相同而功能不同的函數(shù)。

人們提出這樣的設(shè)想，能否用同一個(gè)調(diào)用形式，既能調(diào)用派生類又能調(diào)用基類的同名函數(shù)。在程序中不是通過不同的對(duì)象名去調(diào)用不同派生層次中的同名函數(shù)，而是通過指針調(diào)用它們。

例如，我們?cè)谖鰳?gòu)類的時(shí)候，一定是想要調(diào)用該類的析構(gòu)函數(shù)，而不是基類的析構(gòu)函數(shù)，否則有可能導(dǎo)致部分內(nèi)存沒有釋放。

C++中的虛函數(shù)就是用來解決這個(gè)問題的。虛函數(shù)的作用是允許在派生類中重新定義與基類同名的函數(shù)，并且可以通過基類指針或引用來訪問基類和派生類中的同名函數(shù)。簡(jiǎn)單來說，虛函數(shù)是為了實(shí)現(xiàn)多態(tài)性。

2.2虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)原理

我們?nèi)詮膬?nèi)存分布的角度來探究虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

我們?nèi)源蜷_之前的項(xiàng)目，更改yuan.cpp的代碼如下

B類并沒有對(duì)繼承自A類函數(shù)進(jìn)行更改，我們調(diào)用VS開發(fā)者命令行

在項(xiàng)目目錄下執(zhí)行cl –d1reportAllClassLayout yuan.cpp

得到對(duì)應(yīng)AB類的內(nèi)存布局

可以看到，和虛繼承類似，有虛函數(shù)的類中的成員會(huì)多一個(gè)虛指針vfptr，虛指針指向虛函數(shù)表vftable。

在本例中，類A的虛指針指向A::$vftable@，這個(gè)虛表順序排列著我們?cè)陬怉中定義的f(),g(),h()函數(shù)。

由于我們沒有在子類B中對(duì)函數(shù)進(jìn)行定義的覆蓋，所以B的虛表中函數(shù)仍是A類中的f(),g(),h()函數(shù)。

現(xiàn)在我們更改代碼如下，在B類的定義中重新定義繼承的f()函數(shù)。

我們?cè)陬怋中對(duì)f()函數(shù)進(jìn)行了重新定義

再來看類AB的內(nèi)存布局

A類的虛表并不會(huì)變化，但B類的虛表發(fā)生了變化，具體是B類原本0位置的&A::f被&B::f覆蓋了。

因此如果我們聲明一個(gè)基類的指針，使指針指向子類，通過指針調(diào)用f()函數(shù),我們會(huì)調(diào)用B類虛表中的&B::f，從而實(shí)現(xiàn)了多態(tài)。

如果我們只對(duì)g()進(jìn)行重新定義，虛表會(huì)變成怎樣呢？

可以看出，虛表中函數(shù)的順序是與基類中定義順序相同，如果我們?cè)谧宇愔袑?duì)某個(gè)函數(shù)進(jìn)行重新定義，新的函數(shù)會(huì)覆蓋原本函數(shù)但并不會(huì)改變順序。

假如子類繼承自多個(gè)父類，虛函數(shù)表又是如何實(shí)現(xiàn)的

更改代碼如下

我們定義了新的基類C，并在B中對(duì)父類的f()進(jìn)行覆蓋定義，并新定義虛函數(shù)k()

我們重新來看B的內(nèi)存布局

B中的成員理所當(dāng)然的有繼承自A和C的兩個(gè)虛指針。

繼承自A的虛指針指向虛函數(shù)表B::$vftable@A@

其中的成員不僅有&B::f,&A::g,&A::h,還有B中新定義的虛函數(shù)。

而繼承自C的虛指針指向虛函數(shù)表C::$vftable@C@

其中的成員為C的兩個(gè)虛函數(shù)。

也就是說B新定義的虛函數(shù)只會(huì)存放在繼承的第一個(gè)虛函數(shù)表中，并且在虛表中的位置要放到基類的虛函數(shù)之后。

3.總結(jié)

總的來說

虛繼承是為了解決多代繼承中的二義性和內(nèi)存浪費(fèi)的問題。

虛函數(shù)是為了解決多態(tài)性的問題。

二者都是通過虛指針和虛表來實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)然以上的話以我樸素的法感情看來他們依然是天書，但是我相信我對(duì)虛函數(shù)與虛繼承的理解已經(jīng)比之前好很多了。

另外預(yù)祝大家大作業(yè)寫bugDebug順利！

by 伊藤優(yōu)香

and   孟令寰