漫谈析构函数(一)——从一个面试题开始-阿里云开发者社区

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漫谈析构函数(一)——从一个面试题开始

简介:

在开始我们的内容前,首先让我们看一道面试题,题目如下:

说出下段代码的输出:


class A
{
public:
virtual void g()
{
cout<<"A::g()"<<endl;
}
private:
virtual void f()
{
cout<<"A::f()"<<endl;
}
};
 
class B:public A
{
public:
virtual void g()
{
cout<<"B::g()"<<endl;
}
private:
virtual void h()
{
cout<<"B::h()"<<endl;
}
 
};
 
typedef void(*Fun)(void);
 
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
B b;
Fun pFun;
for(int i=0;i<3;i++)
{
pFun=(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+i);
pFun();
}
};


思考几分钟,看一下程序输出:

 

    如果你有疑问,或者不理解,我们就开彻底分析下这个程序。首先简单讨论一下虚函数在内存中与Class的关系。

4.1 虚函数的维护

带有一个虚函数的Class,以下3个操作会在编译期间发生:

1. 一个虚函数表(vtbl)会被编译器产生出来,内部存放Class的虚函数地址。(虚函数表是以Class维护的)

2. 每一个Class Object中,一个额外的虚函数表指针(vptr)会被编译器合成出来,内含vtbl的地址。vptr是以Class Object维护的)

3. 对虚函数的调用会被改写,比如b.f(),f()为虚函数)会被改写成:(*b.vptr[1])(&b),其中1表示f()vtbl中的索引,&b代表调用f()this指针。(可以看出虚函数的调用是需要以间接调用完成,效率相对普通成员函数要低)

此外带有一个虚函数的Class的默认合成构造函数以及拷贝构造函数不再是trivial,他需要为每个Objectvptr设定初值,使其指向适当的vtbl

扩展:同理当一个Class直接或间接继承一个virtual base Class时,也不再表现“位逐次拷贝语义”,默认构造函数和拷贝构造函数也不再是trivial,因为需要正确的设置virtual base Class的偏移。


注:如图:两个B的对象之间或两个D的对象之间调用拷贝构造,“位逐次拷贝”不会发生问题,但是用D的对象给B的对象赋值(此时造成切割)就必须调整vptrvirtual base Class偏移。

4.2 虚函数表中的内容

那么虚函数表中的“虚函数”都包括哪些呢?总共有以下三类:

(1) 被当前Class覆盖(override)的base Class中的虚函数

(2) 继承自base Class的没有被override的虚函数。

(3) 纯虚函数(当前类定义的,或者从base Class继承来的)

4.3 虚函数的布局

    说了这么多,我们基本可以推断出程序中Class A,Class B的内存布局情况,如下图。注:Type_info以后讨论,这里先忽略。

  

      (aClass A内存布局                           (bClass B 内存布局

从上图可以看出A,B的对象中没有数据成员,只有一个vptr,这个我们可以输出验证:

cout<<sizeof(A)<<"  "<<sizeof(B)<<endl;(4,4)。

注:虚函数在vtbl中的顺序和虚函数在Class中的声明顺序一致。

4.4  pFun=(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+i);

    相信不少人对程序中这条语句都有迷惑,下面我们来逐步分析下这条语句的含义。

首先,由程序中typedef语句我们知道Fun是一个函数指针,也就是这句话是要将某个地址转换成函数地址(指针)。具体步骤如下:

(1) (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+i)----------------------------取对象b的地址,由对象的内存布局我们知道对象b的地址和vptr的地址相同,即取vptr的地址。

(2) (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+i)----------------------------vptr的地址强转成int型地址(指针),即让编译器将vptr的地址当做int型指针对待。否则*(&b)会被当做对象b

(3) (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+i)----------------------------得到vptr地址中存放的内容,即vptr(或者说vptr的值,或者说vtbl的地址)。

(4) (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+i)----------------------------vtbl的地址转为int指针,为之后与整型类型i相加做准备。

(5) (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+i)---------------------------- 我们知道指针与整数的相加,移动的是指针所指对象的大小,因为上一步已经转换为int型指针,所以会移动i*sizeof(int)个字节。

(6) (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+i)-----------------------------其实上一步就是将指针移动到vtbl中相应表条目处(存放虚函数的地址),所以这里取出地址的内容就是对应虚函数的地址。

(7) (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+i)------------------------------最后这一步将函数的地址转换成函数指针,以后后面调用。

综上,我们可以知道这句活就是根据i的递增逐个调用B中的虚函数。B中的虚函数布局我们已经知道,所以输出就不难理解了。

注:通过这个例子我们还发现了一个问题,函数f()在基类A中是私有的,而我们却访问到了。其实我们将B中的h()声明为private,输出结果依然不变,并不会引起访问权限问题。也就是说可以外界访问到Class的私有虚函数。这是为什么呢?我个人的理解是:访问限定符只在编译检查时候起作用,而在程序执行期间没有作用,因为从C++的函数名称修饰规则来看,并没有将访问限定符纳入其中,所以我们只要通过了编译,找到对应的函数地址就能够调用私有函数,因为在内存中私有函数和公有函数并没有什么区别。

 

 

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