不可定義為虛函數(shù)的函數(shù)

類的靜態(tài)函數(shù)和構(gòu)造函數(shù)不可以定義為虛函數(shù):

靜態(tài)函數(shù)的目的是通過(guò)類名+函數(shù)名訪問(wèn)類的static變量，或者通過(guò)對(duì)象調(diào)用staic函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)static成員變量的讀寫，要求內(nèi)存中只有一份數(shù)據(jù)。而虛函數(shù)在子類中重寫，并且通過(guò)多態(tài)機(jī)制實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)用，在內(nèi)存中需要保存不同的重寫版本。

構(gòu)造函數(shù)的作用是構(gòu)造對(duì)象，而虛函數(shù)的調(diào)用是在對(duì)象已經(jīng)構(gòu)造完成，并且通過(guò)調(diào)用時(shí)動(dòng)態(tài)綁定。動(dòng)態(tài)綁定是因?yàn)槊總€(gè)類對(duì)象內(nèi)部都有一個(gè)指針，指向虛函數(shù)表的首地址。而且虛函數(shù)，類的成員函數(shù)，static成員函數(shù)都不是存儲(chǔ)在類對(duì)象中，而是在內(nèi)存中只保留一份。

將析構(gòu)函數(shù)定義為虛函數(shù)的作用

類的構(gòu)造函數(shù)不能定義為虛函數(shù)，析構(gòu)函數(shù)可以定義為虛函數(shù)，這樣當(dāng)我們delete一個(gè)指向子類對(duì)象的基類指針時(shí)可以達(dá)到調(diào)用子類析構(gòu)函數(shù)的作用，從而動(dòng)態(tài)釋放內(nèi)存。

如下我們先定義一個(gè)基類和子類

class VirtualTableA
{
public:
    virtual ~VirtualTableA()
    {
        cout << "Desturct Virtual Table A" << endl;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "print virtual table A" << endl;
    }
};
class VirtualTableB : public VirtualTableA
{
public:
    virtual ~VirtualTableB()
    {
        cout << "Desturct Virtual Table B" << endl;
    }
    virtual void print();
};
void VirtualTableB::print()
{
    cout << "this is virtual table B" << endl;
}

我們寫一個(gè)函數(shù)做測(cè)試

void destructVirtualTable()
{
    VirtualTableA *pa = new VirtualTableB();
    useTable(pa);
    delete pa;
}
void useTable(VirtualTableA *pa)
{
    //實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)用
    pa->print();
}

程序輸出

this is virtual table B
Desturct Virtual Table B
Desturct Virtual Table A

在上面的例子中我們先在destructVirtualTable函數(shù)中new了一個(gè)VirtualTableB類型對(duì)象，并用基類VirtualTableA的指針指向了這個(gè)對(duì)象。

然后將基類指針對(duì)象pa傳遞給useTable函數(shù)，這樣會(huì)根據(jù)多態(tài)原理調(diào)用VirtualTableB的print函數(shù)，然后再執(zhí)行delete pa操作。

此時(shí)如果pa的析構(gòu)函數(shù)不寫成虛函數(shù)，那么就只會(huì)調(diào)用VirtualTableA的析構(gòu)函數(shù)，不會(huì)調(diào)用子類VirtualTableB的析構(gòu)函數(shù)，導(dǎo)致內(nèi)存泄露。

而我們將析構(gòu)函數(shù)寫成虛析構(gòu)之后，可以看到先調(diào)用了子類VirtualTableB的析構(gòu)函數(shù)，再調(diào)用了基類VirtualTableA的析構(gòu)函數(shù)，達(dá)到了釋放子類空間的目的。

有人會(huì)問(wèn)？將析構(gòu)函數(shù)不寫為虛函數(shù)，直接delete子類對(duì)象VirtualTableB，調(diào)用子類的析構(gòu)函數(shù)不可以嗎？比如，如下的調(diào)用

    VirtualTableB *pb = new VirtualTableB();
    delete pa;

上述調(diào)用沒(méi)有問(wèn)題，無(wú)論析構(gòu)函數(shù)是否為虛析構(gòu)都可以成功釋放子類空間。但是項(xiàng)目編程中常常會(huì)編寫一些通用接口，比如上面的useTable函數(shù)，

它只接受VirtualTableA類型的指針，所以我們常常會(huì)用基類指針接受子類對(duì)象來(lái)通過(guò)多態(tài)的方式調(diào)用子類函數(shù)，為了方便delete基類指針也要釋放子類空間，

就要將析構(gòu)函數(shù)設(shè)置為虛函數(shù)。

虛函數(shù)表原理

為了介紹虛函數(shù)表原理，我們先實(shí)現(xiàn)一個(gè)基類和子類

class Baseclass
{
public:
    Baseclass() : a(1024) {}
    virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }
    virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }
    virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }
    int a;
};
// 0 1 2 3   4 5 6 7(虛函數(shù)表空間)    8 9 10 11 12 13 14 15(存儲(chǔ)的是a)
class DeriveClass : public Baseclass
{
public:
    virtual void f() { cout << "Derive::f" << endl; }
    virtual void g2() { cout << "Derive::g2" << endl; }
    virtual void h3() { cout << "Derive::h3" << endl; }
};

一個(gè)類對(duì)象其內(nèi)存分布的基本結(jié)構(gòu)為虛函數(shù)表地址+非靜態(tài)成員變量，類的成員函數(shù)不占用類對(duì)象的空間，他們分布在一片屬于類的共有區(qū)域。

類的靜態(tài)成員函數(shù)喝成員變量不占用類對(duì)象的空間，他們分配在靜態(tài)區(qū)。

虛函數(shù)表的地址存儲(chǔ)在類對(duì)象的起始位置。所以我們利用這個(gè)原理，通過(guò)尋址的方式訪問(wèn)虛函數(shù)表里的函數(shù)

void useVitualTable()
{
    Baseclass b;
    b.a = 1024;
    cout << "sizeof b is " << sizeof(b) << endl;
    int *p = (int *)(&b);
    cout << "pointer address of vitural table " << p << endl;
    cout << "address of b is " << &b << endl;
    cout << "address of a is " << p + 2 << endl;
    cout << "address of p+1 is " << p +1 << endl;
    cout << "value of a is " << *(p + 2) << endl;
    cout << "address of vitural table" << (int *)(*p) << endl;
    cout << "sizeof int is " << sizeof(int) << endl;
    cout << "sizeof p is " << sizeof(p) << " sizeof(int*) is " << sizeof(int *) << endl;
    Func pFun = (Func)(*(int *)(*p));
    pFun();
    pFun = (Func) * ((int *)(*p) + 2);
    pFun();
    pFun = (Func)(*((int *)(*p) + 4));
    pFun();
}

上面的程序輸出

sizeof b is 16
pointer address of vitural table 0xb6fdd0
address of b is 0xb6fdd0
address of a is 0xb6fdd8
address of p+1 is 0xb6fdd4
value of a is 1024
address of vitural table0x46d890
sizeof int is 4
sizeof p is 8 sizeof(int*) is 8
Base::f
Base::g
Base::h

可以看到b的大小為16字節(jié)，因?yàn)槲业臋C(jī)器是64位的，所以指針類型都占用8字節(jié)，int 占用4字節(jié)，但是要遵循補(bǔ)齊原則，結(jié)構(gòu)體的大小要為最大成員大小的整數(shù)倍，所以要補(bǔ)齊4字節(jié)，那么8+4+4 = 16 字節(jié)，關(guān)于類對(duì)象對(duì)齊和補(bǔ)齊原則稍后再詳述。

b的內(nèi)存分布如下圖

這個(gè)根據(jù)不同的機(jī)器所占的字節(jié)數(shù)不一樣，在32位機(jī)器上int為4字節(jié)，虛函數(shù)表地址為4字節(jié)，4+4 = 8字節(jié)，這個(gè)再之后再說(shuō)明對(duì)齊和補(bǔ)齊的原則。

&b表示取b的地址，因?yàn)樘摵瘮?shù)表地址存儲(chǔ)在b的起始地址，所以&b也是虛函數(shù)表的地址的地址，我們通過(guò)int* 強(qiáng)轉(zhuǎn)是方便存儲(chǔ)b的地址，因?yàn)?4位機(jī)器指針都是8字節(jié)，32位機(jī)器指針是4字節(jié)。

p為虛函數(shù)表的地址的地址，p+1具體移動(dòng)了4個(gè)字節(jié)，因?yàn)閜+1移動(dòng)多少個(gè)字節(jié)取決于p所指向的數(shù)據(jù)類型int,int為4字節(jié)，所以p+1在p的地址移動(dòng)四個(gè)字節(jié)，p+2在p的地址移動(dòng)8個(gè)字節(jié)。

p只想虛函數(shù)表的地址，換句話說(shuō)p存儲(chǔ)的是虛函數(shù)表的地址，虛函數(shù)表地址占用8字節(jié)，p+2就是從p向后移動(dòng)8字節(jié)，這樣剛好找到a的地址。

那么*(p+2)就是取a的數(shù)值。

int*(*p)就是取虛函數(shù)表的地址，轉(zhuǎn)為int*是方便讀寫。

我們將b的內(nèi)存分布以及虛函數(shù)表結(jié)構(gòu)畫出來(lái)

上圖中可以看到虛函數(shù)表中存儲(chǔ)的是虛函數(shù)的地址，所以通過(guò)不斷位移虛函數(shù)表的指針就可以達(dá)到指向不同虛函數(shù)的目的。

Func pFun = (Func)(*(int *)(*p));
pFun();

*(int *)(*p)就是取出虛函數(shù)表首地址指向的虛函數(shù)，再通過(guò)Func轉(zhuǎn)化為函數(shù)類型，然后調(diào)用pFun即可調(diào)用虛函數(shù)f。

所以想調(diào)用第二個(gè)虛函數(shù)g，將(int*)(*p) 加2 位移8個(gè)字節(jié)即可

 pFun = (Func) * ((int *)(*p) + 2);
 pFun();

同樣的道理調(diào)用h就不贅述了。

繼承關(guān)系中虛函數(shù)表結(jié)構(gòu)

DeriveClass繼承了BaseTest類，子類如果重寫了虛函數(shù)，則子類的虛函數(shù)表中存儲(chǔ)的虛函數(shù)為子類重寫的，否則為基類的。

我們畫一下DeriveClass的虛函數(shù)表結(jié)構(gòu)

因?yàn)楹瘮?shù)f被DeriveClass重寫，所以DeriveClass的虛函數(shù)表存儲(chǔ)的是自己重寫的f。

而虛函數(shù)g和h沒(méi)有被DeriveClass重寫，所以DeriveClass虛函數(shù)表存儲(chǔ)的是基類的g和h。

另外DeriveClass虛函數(shù)表里也存儲(chǔ)了自己特有的虛函數(shù)g2和h3.

下面我們還是利用尋址的方式調(diào)用虛函數(shù)

void deriveTable()
{
    DeriveClass d;
    int *p = (int *)(&d);
    int *virtual_tableb = (int *)(*p);
    Func pFun = (Func)(*(virtual_tableb));
    pFun();
    pFun = (Func)(*(virtual_tableb + 2));
    pFun();
    pFun = (Func)(*(virtual_tableb + 4));
    pFun();
    pFun = (Func)(*(virtual_tableb + 6));
    pFun();
    pFun = (Func)(*(virtual_tableb + 8));
    pFun();
}

程序輸出

Derive::f
Base::g
Base::h
Derive::g2
Derive::h3

可見(jiàn)DeriveClass虛函數(shù)表里存儲(chǔ)的f是DeriveClass的f。

(int *)(*p)表述取出p所指向的內(nèi)存空間的內(nèi)容，p指向的正好是虛函數(shù)表的地址，所以*p就是虛函數(shù)表的地址。

因?yàn)槲覀儾恢捞摵瘮?shù)表的具體類型，所以轉(zhuǎn)為int*類型，因?yàn)橹羔樤?4位機(jī)器上都是8字節(jié)，可以保證空間大小正確。

接下來(lái)就是尋址和函數(shù)調(diào)用的過(guò)程，這里不再贅述。

多重繼承的虛函數(shù)表

上面的例子我們知道，如果類有虛函數(shù)，那么編譯器會(huì)為該類的實(shí)例分配8字節(jié)存儲(chǔ)虛函數(shù)表的地址。

所有繼承該類的子類也會(huì)擁有8字節(jié)的空間存儲(chǔ)自己的虛函數(shù)表地址。

多重繼承的情況就是類對(duì)象空間里存儲(chǔ)多張?zhí)摵瘮?shù)表地址。子類繼承于兩個(gè)基類，并且基類都有虛函數(shù)，那么子類就有兩張?zhí)摵瘮?shù)表。

多態(tài)調(diào)用原理

當(dāng)我們通過(guò)基類指針存儲(chǔ)子類對(duì)象時(shí)，調(diào)用虛函數(shù)，會(huì)調(diào)用子類的實(shí)現(xiàn)版本，這叫做多態(tài)。

通過(guò)前面的實(shí)驗(yàn)和圖示，我們已經(jīng)知道如果子類重寫了基類的虛函數(shù)，那么他自己的虛函數(shù)表里存儲(chǔ)的就是自己實(shí)現(xiàn)的版本。

通過(guò)基類指針存儲(chǔ)子類對(duì)象時(shí)，基類指針實(shí)際指向的是子類的空間，尋址也是找到子類的虛函數(shù)表，從虛函數(shù)表中找到子類實(shí)現(xiàn)的虛函數(shù)，

然后調(diào)用子類版本，從而達(dá)到多態(tài)效果。

對(duì)齊和補(bǔ)齊規(guī)則

在考察一個(gè)類對(duì)象所占空間時(shí)，虛函數(shù)、成員函數(shù)（包括靜態(tài)與非靜態(tài)）和靜態(tài)數(shù)據(jù)成員都是不占用類對(duì)象的存儲(chǔ)空間的。對(duì)象大小= vptr(虛函數(shù)表指針，可能不止一個(gè)) + 所有非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員大小 + Aligin字節(jié)大?。ㄒ蕾囉诓煌木幾g器對(duì)齊和補(bǔ)齊）

對(duì)齊：類(結(jié)構(gòu)體)對(duì)象每個(gè)成員分配內(nèi)存的起始地址為其所占空間的整數(shù)倍。

補(bǔ)齊：類(結(jié)構(gòu)體)對(duì)象所占用的總大小為其內(nèi)部最大成員所占空間的整數(shù)倍。

下面我們先定義幾個(gè)類

namespace AligneTest
{
    class A
    {
    };
    class B
    {
        char ch;
        void func()
        {
        }
    };
    class C
    {
        char ch1; //占用1字節(jié)
        char ch2; //占用1字節(jié)
        virtual void func()
        {
        }
    };
    class D
    {
        int in;
        virtual void func()
        {
        }
    };
    class E
    {
        char m;
        int in;
    };
}

然后通過(guò)代碼測(cè)試他們的大小

extern void aligneTest()
{
    AligneTest::A a;
    AligneTest::B b;
    AligneTest::C c;
    AligneTest::D d;
    AligneTest::E e;
    cout << "sizeof(a): " << sizeof(a) << endl;
    cout << "sizeof(b): " << sizeof(b) << endl;
    cout << "sizeof(c): " << sizeof(c) << endl;
    cout << "sizeof(d): " << sizeof(d) << endl;
    cout << "sizeof(e): " << sizeof(e) << endl;
}

程序輸出

sizeof(a): 1
sizeof(b): 1
sizeof(c): 16
sizeof(d): 16
sizeof(e): 8

我們分別對(duì)每個(gè)類的大小做解釋

a 是A的對(duì)象，A是一個(gè)空類，編譯器為了區(qū)分不同的空類，所以為每個(gè)空類對(duì)象分配1字節(jié)的空間保存其信息，用來(lái)區(qū)別不同類對(duì)象。

b 是B的對(duì)象，因?yàn)锽中定義了一個(gè)char成員變量和func函數(shù)，func函數(shù)不占用空間，所以b的大小為char的大小，也就是1字節(jié)。

c 是C的對(duì)象，因?yàn)镃中包含虛函數(shù)，所以C的對(duì)象c中會(huì)分配8字節(jié)用來(lái)存儲(chǔ)虛函數(shù)表，虛函數(shù)表放在c內(nèi)存的首地址，然后是ch1，

以及ch2。假設(shè)c的起始地址為0，那么0~7字節(jié)存儲(chǔ)虛函數(shù)表地址，第8個(gè)字節(jié)是1的整數(shù)倍，所以不同對(duì)齊，第8個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)ch1。

第9個(gè)字節(jié)是1的整數(shù)倍，所以第9個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)ch2。那么c的大小為8 + 2 = 10, 因?yàn)檠a(bǔ)齊規(guī)則要求c的大小為最大成員大小的整數(shù)

倍，最大成員為虛函數(shù)表地址8字節(jié)，所以要補(bǔ)齊6個(gè)字節(jié)，10+6 = 16，所以c的大小為16字節(jié)。

其內(nèi)存分配如下圖

d 是D的對(duì)象，因?yàn)镈中包含虛函數(shù)，所以D的對(duì)象d中會(huì)分配8字節(jié)空間存儲(chǔ)虛函數(shù)表地址，比如0~7字節(jié)存儲(chǔ)虛函數(shù)表地址，接下來(lái)第8個(gè)字節(jié)，

因?yàn)閕nt為4字節(jié)，8是4的整數(shù)倍，所以不需要對(duì)齊，第8~11字節(jié)存儲(chǔ)in，這樣d的大小變?yōu)?+4= 12, 因?yàn)楦鶕?jù)補(bǔ)齊規(guī)則需要補(bǔ)齊4字節(jié)，總共

大小為16字節(jié)剛好是最大成員大小8字節(jié)的整數(shù)倍。所以d為16字節(jié)

其內(nèi)存分配圖如下

e 是E的對(duì)象，e會(huì)為m分配1字節(jié)空間，為in分配4字節(jié)空間，假設(shè)地址0存儲(chǔ)m，接下來(lái)地址1存儲(chǔ)in。

因?yàn)閷?duì)齊規(guī)則要求類(結(jié)構(gòu)體)對(duì)象每個(gè)成員分配內(nèi)存的起始地址為其所占空間的整數(shù)倍，1不是4的整數(shù)倍，所以要對(duì)齊。

對(duì)齊的規(guī)則就是地址后移找到起始地址為4的整數(shù)倍，所以要移動(dòng)3個(gè)字節(jié)，在地址為4的位置存儲(chǔ)in。

那么e所占的空間就是 1(m占用) + 3(對(duì)齊規(guī)則) + 4(in占用) = 8 字節(jié)。

如下圖所示

為什么要有對(duì)齊和補(bǔ)齊

這個(gè)要從計(jì)算機(jī)CPU存取指令說(shuō)起，

上圖為32位機(jī)器內(nèi)存模型，CPU通過(guò)地址總線和數(shù)據(jù)總線尋址讀寫數(shù)據(jù)。如果是64位機(jī)器，就是8列。

通過(guò)對(duì)齊和補(bǔ)齊規(guī)則，可以一次讀取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，不需要切割和重組，是典型的用空間換取時(shí)間的策略。

比如有如下類

class Test{
    int m;
    int b;
}

我們用Test生成了兩個(gè)對(duì)象t1和t2，他們?cè)趦?nèi)存中存儲(chǔ)如下，無(wú)色的表示t1的內(nèi)存存儲(chǔ)，彩色的表示t2。

在不采用對(duì)齊和補(bǔ)齊策略的情況下

在采用對(duì)齊和補(bǔ)齊策略的情況下

可見(jiàn)不采用對(duì)齊和補(bǔ)齊策略，節(jié)省空間，但是要取三次能取完數(shù)據(jù)，取出后還要切割和拼接，最后才能使用。

采用對(duì)齊和補(bǔ)齊策略，犧牲了空間換取時(shí)間，讀取四次，但是不需要切割直接可以使用。

對(duì)于64位機(jī)器，采用對(duì)齊和補(bǔ)齊策略，只需讀取兩次，每次取出的都是Test對(duì)象，效率非常高。

資源鏈接

本文模擬實(shí)現(xiàn)了vector的功能。

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