虚拟函数－2、实现机制

讲到这里，也许读者对虚拟函数还不能有一个清晰的认识。下面就对虚拟函数的实现机制作简要介绍。
2.3.1 类和对象的内存分配机制
首先应该了解类及对象的内存分配机制。如果有类的定义如下：
class CMem
{
public:
CMem();
public :
int m_first;
private:
unsigned char m_second;
public:
fun1();
};
则对象
CMem a, b;
的内存分配如图2-1所示。由图2-1可知，同一个类的所有对象共享同一个成员函数的地址空间，而每个对象有独立的成员变量地址空间。也可以这样说，成员函数是类拥有的，成员变量是类的对象拥有的。
图2-1 类及对象的内存分配
2.3.2 基类与派生类的内存分配关系
如果有类的定义如下：
class CMem
{
public:
CMem(){};
public :
int m_first;
private:
unsigned char m_second;
public:
fun1();
int funOver(){ return 1;};
};
 
class CMemSub :public CMem
{
public:
         CMemSub(){};
public:
         int m_three;
private:
         int m_four;
 
public:
         fun3();
int funOver(){return 2;};
};
则对象
CMem a;
CMemSub b;
的内存分配如图2-2所示。由图2-2可知，派生类对象的内存区域包含了父类所有的成员变量空间（如上例中的int m_first、int m_second），同时包含派生类定义的成员空间（如上例中的int m_three、int m_four）。其中，父类的成员变量空间被称为父类子对象，整个派生类实例的内存空间被称为全对象。但是由于编译器的限制，基类中那些没有被派生类继承的私有成员变量，派生类无法访问（如上例中的int m_second，不允许对象b访问）。对于从基类继承的成员函数，派生类和基类共享（如上例中的CMem()、fun1()）。
图2-2 基类和派生类的内存分配

 

2.3.3 非虚拟函数的内存分配机制
对于非虚拟函数的调用，编译器只根据数据类型翻译函数地址，判断调用的合法性。因为对象的内存地址空间中只包含成员变量，并不存储有关成员函数的信息，所以非虚拟函数的地址翻译过程与其对象的内存地址无关。
2.3.2节中的类CMemSub重载了基类的funOver()成员函数，下面的程序段定义了一个CMem的指针*pMem，先后将它指向CMem和CMemSub对象的地址，并且调用成员函数funOver()。从这段程序的输出结果可以发现非虚拟函数的地址翻译特点。
{
 CMem a,*pMem;
 CMemSub b;
pMem=&a;
printf("%d\n",pMem->funOver());
pMem=&b;
printf("%d\n",pMem->funOver());
}
该程序段的输出结果：
1
1
因为pMem的类型是CMem指针，所以不论pMem指向什么对象的地址，pMem-> funOver()始终调用CMem:: funOver()成员函数。
2.3.4 深入：虚拟函数的内存分配机制
因为虚拟函数的地址翻译取决于对象的内存地址，而不取决于数据类型（编译器对函数调用的合法性检查取决于数据类型）。原来，如果类中定义了虚拟函数，该类及其派生类就要生成一张虚拟函数表，即vtable。而在类的对象地址空间中存储一个该虚表的入口，占4个字节，这个入口地址是在构造对象时由编译器写入的。
如果有类的定义如下：
class CMem
{
public:
         CMem(){};
public :
         int m_first;
private:
         unsigned char m_second;
public:
         fun1();
virtual int funOver(){return 1;}
};
class CMemSub :public CMem
{
public:
         CMemSub(){};
public:
         int m_three;
private:
         int m_four;
public:
         fun3();
virtual int   funOver(){return 2;};
virtual int   fun4(){return 3;};
};
则对象
CMem a;
CMemSub b;
的内存分配如图2-3所示。
图2-3 包含虚表入口的对象内存空间
如果还执行程序段：
{
 CMem a,*pMem;
 CMemSub b;
pMem=&a;
printf("%d\n",pMem->funOver());
pMem=&b;
printf("%d\n",pMem->funOver());
}
输出结果：
1
2
由图2-3不难发现虚函数的工作机制，由于对象的内存空间中包含了虚表入口，编译器能够由这个入口找到恰当的虚函数，这个函数的地址不再由数据类型决定了。语句pMem=&b;使pMem指向对象b的内存空间，调用pMem->funOver()时，编译器得到了对象b的vtable入口，并由这个入口找到CMemSub::fun4()虚函数地址。
到此，虚拟函数的秘密终于大白天下了。虚函数是C++语法的重点和难点，如果读者还不甚明了，请对以上论述仔细揣摩。