C++語言中的虛函數(shù)研究

摘 要:虛函數(shù)是面向?qū)ο蟮腃++語言中的一個非常重要的概念。它充分體現(xiàn)了面向?qū)ο笏枷胫械睦^承和多態(tài)性這兩大特性，動態(tài)綁定是C++中實現(xiàn)多態(tài)的一個重要途徑，虛函數(shù)是動態(tài)綁定的基礎。通過深入分析VC++編譯器實現(xiàn)虛函數(shù)的匯編代碼。給出在繼承下的實現(xiàn)模型，并結合實例，在匯編語言層次研究了多態(tài)性的實現(xiàn)機理，揭示了虛函數(shù)和動態(tài)綁定的本質(zhì)。

關鍵詞:虛函數(shù);多態(tài)性;綁定;構造函數(shù)

中圖分類號:TP312文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)04-154-03

Study of Virtual Function in C++

XU Qifeng，HU Yong，WANG Yucheng

(Xuzhou Air Force College，Xuzhou，221000，China)

Abstract:Virtual Function is an important concept of object oriented language C++.It presents the Inheritance and Polymorphism of the idea in object oriented language，dynamic binding is an important approach to realize polymorphism in C++ and virtual function is its foundation，this paper investigates the realization mechanism of virtual function in assemble language in VC++.According to inheritance relationship，the realize model of polymorphism is studied by example and in assemble language，and reveals the essence of virtual function and dynamic binding .

Keywords:virtual function;polymorphism;bind;constructor

0 引 言

多態(tài)性是面向?qū)ο蟪绦蛟O計語言繼數(shù)據(jù)抽象和繼承之后的第三個基本特征[1，2]，在C++語言中，多態(tài)性是用虛函數(shù)來實現(xiàn)的[3，4]，如果某類中的一個成員函數(shù)被說明為虛函數(shù)，該類被稱為多態(tài)類，這就意味著該成員函數(shù)在派生類中可以有不同的實現(xiàn)，當用一個基類指針或引用指向一個繼承類對象調(diào)用虛函數(shù)的時候，實際調(diào)用的是繼承類版本的虛函數(shù)。

綁定是指把函數(shù)定義體與函數(shù)調(diào)用相聯(lián)接的過程，按照綁定所進行的階段不同，可分為兩種不同的綁定方法:靜態(tài)綁定和動態(tài)綁定[5，6]，靜態(tài)綁定是傳統(tǒng)的過程式程序設計語言所使用的方法，即函數(shù)定義體和函數(shù)調(diào)用間的聯(lián)接發(fā)生在編譯連接階段，這種聯(lián)編又稱早期綁定，因為綁定過程是在程序開始運行之前完成的。靜態(tài)綁定的優(yōu)點是有效性，即速度快，所需內(nèi)存小，易實現(xiàn)代碼優(yōu)化，主要缺點是缺乏靈活性。與靜態(tài)綁定相對應的是動態(tài)綁定，動態(tài)綁定意味著函數(shù)調(diào)用與函數(shù)定義體的聯(lián)接是在程序運行是進行的，即在編譯時，編譯器不能確定某一對象實體與具體那個函數(shù)調(diào)用相聯(lián)接，必須在運行時刻根據(jù)上下文關系來確定[7]。動態(tài)綁定也叫晚期綁定，動態(tài)綁定以效率性來換取靈活性。在C++語言中，當使用基類指針或引用調(diào)用虛函數(shù)采用的就是動態(tài)綁定的方式[8]，即根據(jù)基類指針或引用的動態(tài)類型(指針或引用所指向或引用對象的類型)選擇相應的虛函數(shù)版本，而不是根據(jù)基類指針或引用的靜態(tài)類型(聲明指針或引用時所使用的類型)來選擇函數(shù)版本，從而給程序帶來了多態(tài)性[9-11]。

1 虛函數(shù)的實現(xiàn)機理

下面從一個具體的程序來分析虛函數(shù)的實現(xiàn)機理，程序如下，在Visual C++ 6.0編譯器下運行。

#include

using namespace std;

class CBase

{

public:

int Base_x;

virtual void vFun1();

virtual void vFun2();

void Fun3();

};

void CBase::vFun1()

{

cout << \"CBase::vFun1()\"<

}

void CBase::vFun2()

{

cout << \"CBase::vFun2()\"<

}

void CBase::Fun3()

{

cout << \"CBase::Fun3()\"<

}

class CDerived:public CBase

{

int Derived_x;

int Derived_y;

void vFun2();

};

void CDerived::vFun2()

{

cout << \"CDerived::vFun2()\"<

}

void main()

{

CBase * pBase;

CDerived Derived;

pBase = Derived;

pBase->vFun1();

pBase->vFun2();

pBase->Fun3();

}

該程序定義了兩個類:CBase 類和他的派生類CDerived類。CBase類中有兩個虛函數(shù) vFun1()和vFun2()，另外還有一個非虛函數(shù)Fun3()，在CDerived類中改寫了vFun2()的定義，最后，在main()函數(shù)中，用基類Cbase定義了一個指針pBase，然后將定義好的Cderived類的一個對象的地址賦給pBase，即指針pBase的靜態(tài)類型是Cbase，動態(tài)類型是Cderived，接下來用pBase對vFun1()，vFun2()，F(xiàn)un3()分別進行調(diào)用，輸出結果如下:

CBase::vFun1()

CDerived::vFun2()

CBase::Fun3()

下面通過分析編譯器生成的匯編代碼來分析虛函數(shù)的實現(xiàn)機理，首先分析對Fun3()函數(shù)調(diào)用生成的匯編代碼:

pBase->Fun3();

這條語句對應的匯編代碼如下:

mov ecx，DWORD PTR _pBaseMYM[ebp]

call ?Fun3@CBase@@QAEXXZ; CBase::Fun3

從上面的代碼可以看出，因為Fun3()是非虛擬的成員函數(shù)，不論pBase 指針所指向?qū)ο蟮念愋褪鞘裁矗瑢un3()的調(diào)用是依據(jù)pBase的靜態(tài)類型Cbase 來綁定相應的函數(shù)定義體的，所以pBase->Fun3()最終轉化成對CBase::Fun3()的調(diào)用。這就是前面所提到的靜態(tài)綁定。下面在看看編譯器為pBase->vFun2()這條語句所生成的匯編代碼:

mov eax，DWORD PTR _pBaseMYM[ebp]

mov edx，DWORD PTR [eax]

mov esi，esp

mov ecx，DWORD PTR _pBaseMYM[ebp]

call DWORD PTR [edx+4]

cmp esi，esp

call __chkesp

_pBaseMYM[ebp]就是pBase的實際值，即Derived對象的地址。對vFun2()的調(diào)用最終轉化為call DWORD PTR [edx+4]，從代碼可以看出，edx的值就是Derived對象的地址。為了弄清楚[edx+4]代表什么，需要分析Derived對象的內(nèi)存空間的布局情況，首先看一下Derived對象的構造函數(shù)的代碼，下面摘錄了其中的關鍵代碼:

mov DWORD PTR _thisMYM[ebp]，ecx

mov ecx，DWORD PTR _thisMYM[ebp]

call ??0CBase@@QAE@XZ ; CBase::CBase

mov eax，DWORD PTR _thisMYM[ebp]

mov DWORD PTR [eax]，OFFSET FLAT:??_7CDerived@@6B@ ; CDerived::′vftable′

mov eax，DWORD PTR _thisMYM[ebp]

Cbase類的構造函數(shù)相關代碼如下所示:

mov DWORD PTR _thisMYM[ebp]，ecx

mov eax，DWORD PTR _thisMYM[ebp]

mov DWORD PTR [eax]，OFFSET FLAT:??_7CBase@@6B@ ; CBase::′vftable′

mov eax，DWORD PTR _thisMYM[ebp]

從上面的代碼可以看出，編譯器生成的vftable地址即vptr插入到存放對象內(nèi)存區(qū)的首地址(即this指針指向的地方)的代碼。所以說，帶有虛函數(shù)的對象在構造時，涉及到vftable，而vftable在CONST區(qū)定義，代碼如下所示:

CONST SEGMENT

??_7CDerived@@6B@

DDFLAT:?vFun1@CBase@@UAEXXZ; CDerived::′vftable′

DDFLAT:?vFun2@CDerived@@EAEXXZ

CONST ENDS

2 結 語

從上面的代碼可以看出，vftable其實就是一個容納虛函數(shù)的地址的表格[12]，Cderived的虛函數(shù)表格里面有從基類繼承而來的虛函數(shù)vFun1()和改寫了定義的vFun2()的地址。Cderived的構造函數(shù)調(diào)用了基類Cbase的構造函數(shù)，CBase的構造函數(shù)也有初始化虛函數(shù)指針的過程，但由于Cderived的構造函數(shù)初始化虛函數(shù)指針在調(diào)用CBase的構造函數(shù)之后，因此最終的虛函數(shù)表容納的是派生類的虛函數(shù)的地址，結合前面編譯器為pBase->vFun2()語句所生成的匯編代碼，可以得出如下結論:

(1) 編譯器必須為多態(tài)類的每個對象增加一個vptr指針，由多態(tài)類的構造函數(shù)負責vptr的初始化;

(2) 每個多態(tài)類至少增加一個vftable表到程序的數(shù)據(jù)區(qū)，vftable就是一張指向虛擬函數(shù)的函數(shù)指針表;

(3) 每個虛函數(shù)的調(diào)用被編譯器轉化通過查找vftable來定位函數(shù)地址(需要額外的機器指令)，如pBase->vFun2()將會轉化為(*pBase->vptr[2])(pBase)。

以上結論是針對visual C++ 6.0編譯器而言的，對于其他編譯器，具體實現(xiàn)雖不完全相同，但都大同小異。如gnu C++編譯器就把指向vtable的指針放在對象尾部而不是頭部。

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