C++虚函数探索笔记（2）——虚函数与多继承
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关注问题：
- 虚函数的作用
- 虚函数的实现原理
- 虚函数表在对象布局里的位置
- 虚函数的类的sizeof
- 纯虚函数的作用
- 多级继承时的虚函数表内容
- 虚函数如何执行父类代码
- 多继承时的虚函数表定位，以及对象布局
- 虚析构函数的作用
- 虚函数在QT的信号与槽中的应用
- 虚函数与inline修饰符，static修饰符
前面我们尝试了一个简单的例子，接下来尝试一个多级继承的例子，以及一个多继承的例子。主要涉及到以下问题：多级继承时虚函数表的内容是如何填写的，如何在多级继承的情况下调用某一级父类里的虚函数，以及在多继承（多个父类）的情况下的对象布局。
多级继承
在这里，多级继承指的是有3层或者多层继承关系的情形。让我们看看下面的代码：
多层继承代码示例
//Source filename: Win32Con.cpp
#include <iostream>
using namespace std;
class parent1
{public:
virtual int fun1(){cout<<"parent1::fun1()"<<endl;return 0;};virtual int fun2()=0;
};
class child1:public parent1
{public:
virtual int fun1()
{cout<<"child1::fun1()"<<endl;
parent1::fun1();
return 0;
}
virtual int fun2()
{cout<<"child1::fun2()"<<endl;
return 0;
}
};
class grandson:public child1
{public:
virtual int fun2()
{cout<<"grandson::fun2()"<<endl;
//parent1::fun2();
parent1::fun1();
child1::fun2();
return 0;
}
};
void test_func1(parent1 *pp)
{pp->fun1();
pp->fun2();
}
int main(int argc, char* argv[])
{grandson sunzi;
test_func1(&sunzi);
return 0;
}
这段代码展示了三个class，分别是parent1,child1,grandson。
- 类parent1定义了两个虚函数，其中fun2是一个纯虚函数，这个类是一个不可实例化的抽象基类。
- 类child1继承了parent1，并且对两个虚函数fun1和fun2都编写了实现的代码，这个类可以被实例化。
- 类grandson继承了child1，但是只对虚函数fun2编写了实现的代码。
此外，我们还改写了test_func1函数，它的参数为parent1类型的指针，我们可以将parent1的子孙类作为这个函数的参数传入。在这个函数里，我们将依次调用parent1类的两个虚函数。
可以先通过阅读代码预测一下程序的输出内容。
程序的输出内容将是：
child1::fun1() parent1::fun1() grandson::fun2() parent1::fun1() child1::fun2()
先看第一行输出child1::fun1()，为什么会输出它呢？我们定义的具体对象sunzi是grandson类型的，test_func1的参数类型是parent1类型。在调用这个虚函数的时候，是完成了一次怎样的调用过程呢？
让我们再次使用cl命令输出这几个类的对象布局:
class parent1 size(4):
+---
0 | {vfptr}
+---
parent1::$vftable@:
| &parent1_meta
| 0
0 | &parent1::fun1
1 | &parent1::fun2
parent1::fun1 this adjustor: 0
parent1::fun2 this adjustor: 0
class child1 size(4):
+---
| +--- (base class parent1)
0 | | {vfptr}
| +---
+---
child1::$vftable@:
| &child1_meta
| 0
0 | &child1::fun1
1 | &child1::fun2
child1::fun1 this adjustor: 0
child1::fun2 this adjustor: 0
class grandson size(4): //grandson的对象布局
+---
| +--- (base class child1)
| | +--- (base class parent1)
0 | | | {vfptr}
| | +---
| +---
+---
grandson::$vftable@: //grandson虚函数表的内容
| &grandson_meta
| 0
0 | &child1::fun1
1 | &grandson::fun2
grandson::fun2 this adjustor: 0
因为我们实例化的是一个grandson对象，让我们看看它的对象布局。正如前面的例子一样，里面只有一个vfptr指针，但是不一样的却是这个指针所指的虚函数表的内容：
第一个虚函数，填写的是child1类的fun1的地址；第二个虚函数填写的才是grandson类的fun2的地址。
很显然我们可以得出这样一个结论：在一个子对象的虚函数表里，每一个虚函数的实际运行的函数地址，将填写为在继承体系里最后实现该虚函数的函数地址。
所以当我们在test_func1里调用了传入的parent1指针的fun1函数的时候，我们实际执行的是填写在虚函数表里的 child1::fun1()，而调用fun2函数的时候，是从虚函数表里得到了grandson::fun2函数的地址并调用之。在“程序输出结果”表里的第一行和第三行结果证实了上述结论。
再看一下程序代码部分的child1::fun1()的实现代码，在第18行，我们有parent1::fun1();这样的语句，这行代码输出了运行结果里的第二行，而在grandson::fun2()的实现代码第35行的parent1::fun1();以及第36行的child1::fun2();则输出了运行结果里的第四行和第五行的内容。这三行代码展示了如何调用父类以及更高的祖先类里的虚函数。——事实上，这与调用父类的普通函数没有任何区别。
在程序代码的第34行，有一行被注释了的内容//parent1::fun2();，之所以会注释掉，是因为这样的代码是无法通过编译的，因为在parent1类里，fun2是一个“纯虚函数”也就是说这个函数没有代码实体，在编译的时候，链接器将无法找到fun2的目标代码从而报错。
其实有了对虚函数的正确的认识，上面的多级继承是很自然就能明白的。然而在多继承的情况下，情况就有所不同了。。。
多继承下虚函数的使用
假如一个类，它由多个父类继承而来，而在不同的父类的继承体系里，都存在虚函数的时候，这个类的对象布局又会是怎样的？它又是怎样定位虚函数的呢？
让我们看看下面的代码：
程序输出结果
//Source filename: Win32Con.cpp
#include <iostream>
using namespace std;
class parent1
{public:
virtual int fun1(){cout<<"parent1::fun1()"<<endl;return 0;};};
class parent2
{public:
virtual int fun2(){cout<<"parent2::fun2()"<<endl;return 0;};};
class child1:public parent1,public parent2
{public:
virtual int fun1()
{cout<<"child1::fun1()"<<endl;
return 0;
}
virtual int fun2()
{cout<<"child1::fun2()"<<endl;
return 0;
}
};
void test_func1(parent1 *pp)
{pp->fun1();
}
void test_func2(parent2 *pp)
{pp->fun2();
}
int main(int argc, char* argv[])
{child1 chobj;
test_func1(&chobj);
test_func2(&chobj);
return 0;
}
这一次，我们有两个父类，parent1和parent2，在parent1里定义了虚函数fun1，而在parent2里定义了虚函数fun2，然后我们有一个子类child1，在里面重新实现了fun1和 fun2两个虚函数。然后我们编写了test_func1函数来调用parent1类型对象的fun1函数，编写了test_func2函数调用 parent2对象的fun2函数。在main函数里我们实例化了一个child1类型的对象chobj，然后分别传给test_func1和 test_func2去执行。
这段代码的运行结果非常简单就能看出来：
child1::fun1()
child1::fun2()
但是，让我们看看对象布局吧：
class child1 size(8):
+---
| +--- (base class parent1)
0 | | {vfptr}
| +---
| +--- (base class parent2)
4 | | {vfptr}
| +---
+---
child1::$vftable@parent1@:
| &child1_meta
| 0
0 | &child1::fun1
child1::$vftable@parent2@:
| -4
0 | &child1::fun2
child1::fun1 this adjustor: 0
child1::fun2 this adjustor: 4
注意到没？在child1的对象布局里，出现了两个vfptr指针！
这两个虚函数表指针分别继承于parent1和parent2类，分别指向了不同的两个虚函数表。
问题来了，当我们使用test_func1调用parent1类的fun1函数的时候，调用个过程还比较好理解，可以从传入的地址参数取得继承自 parent1的vfptr，从而执行正确的fun1函数代码，但是当我们调用test_func2函数的时候，为什么程序可以自动取得来自 parent2的vfptr呢，从而得出正确的fun2函数的地址呢？
其实，这个工作是编译器自动根据实例的类型完成的，在编译阶段就已经确定了在调用test_func2的时候，传入的this指针需要增加一定的偏移（在这里则是第一个vfptr所占用的大小，也就是4字节）。
我们可以看看main函数里这部分代码的反汇编代码：
反汇编代码
child1 chobj;
00F5162E 8D 4D F4 lea ecx,[chobj]
00F51631 E8 F5 FB FF FF call child1::child1 (0F5122Bh)
test_func1(&chobj);
00F51636 8D 45 F4 lea eax,[chobj]
00F51639 50 push eax
00F5163A E8 6F FB FF FF call test_func1 (0F511AEh)
00F5163F 83 C4 04 add esp,4
test_func2(&chobj);
00F51642 8D 45 F4 lea eax,[chobj]
00F51645 85 C0 test eax,eax
00F51647 74 0E je main+47h (0F51657h)
00F51649 8D 4D F4 lea ecx,[chobj]
00F5164C 83 C1 04 add ecx,4
00F5164F 89 8D 2C FF FF FF mov dword ptr [ebp-0D4h],ecx
00F51655 EB 0A jmp main+51h (0F51661h)
00F51657 C7 85 2C FF FF FF 00 00 00 00 mov dword ptr [ebp-0D4h],0
00F51661 8B 95 2C FF FF FF mov edx,dword ptr [ebp-0D4h]
00F51667 52 push edx
00F51668 E8 F6 FA FF FF call test_func2 (0F51163h)
00F5166D 83 C4 04 add esp,4
return 0;
从第4行至第5行，执行的是test_func1函数，this指针指向 chobj （第2行lea ecx,[chobj]），但是调用test_func2函数的时候，this指针被增加了4（第14行）！于是，在test_func2执行的时候，就可以从&chobj+4的地方获得vfptr指针，从而根据parent2的对象布局得到了fun2的地址并执行了。
为了证实这点，我们可以将代码做如下的修改：
1: int main(int argc, char* argv[])
2: {3: child1 chobj;
4: test_func1(&chobj);
5: test_func2((parent2 *)(void *)&chobj);
6: return 0;
7: }
8:
请注意红色部分的变化，在讲chobj传入给test_func2之前，先用(void *)强制转换为无类型指针，再转换为parent2 指针，这样的转换，显然是可行的，因为chobj本身就是parent2的子类，然而，程序的执行效果却是：
child1::fun1()
child1::fun1()
执行test_func2函数，调用的是parent2::fun2，但是居然执行的是child1::fun1()函数！！！
这中间发生了些什么呢？我们再看看反汇编的代码：
反汇编的代码
child1 chobj;
013D162E 8D 4D F4 lea ecx,[chobj]
013D1631 E8 F5 FB FF FF call child1::child1 (13D122Bh)
test_func1(&chobj);
013D1636 8D 45 F4 lea eax,[chobj]
013D1639 50 push eax
013D163A E8 6F FB FF FF call test_func1 (13D11AEh)
013D163F 83 C4 04 add esp,4
test_func2((parent2*)(void *)&chobj);
013D1642 8D 45 F4 lea eax,[chobj]
013D1645 50 push eax
013D1646 E8 18 FB FF FF call test_func2 (13D1163h)
013D164B 83 C4 04 add esp,4
return 0;
从调用test_func2的反汇编代码可以看到，这一次ecx寄存器的值没有做改变！所以在执行test_func2的时候，将取得 parent1对象布局里的vfptr，而这个vfptr所指的虚函数表里的第一项就是fun1，并且被填写为child1::fun1的地址了。所以才出现了child::fun1的输出内容！显然这里有一个隐藏的致命问题，加入parent1和parent2的第一个虚函数的参数列表不一致，这样的调用显然就会导致堆栈被破坏掉，程序99%会立即崩溃。之前的程序没有崩溃并且成功输出内容，不过是因为parent1::fun1()和 parent2::fun2()的参数列表一致的关系而已。
所以，千万不要在使用一个多继承对象的时候，将其类型信息丢弃，编译器还需要依靠正确的类型信息，在使用虚函数的时候来得到正确的汇编代码！
多继承与虚函数重复
既然说到了多继承，那么还有一个问题可能会需要解决，那就是如果两个父类里都有相同的虚函数定义，在子对象的布局里会是怎么样个情况？是否依然可以将这个虚函数指向到正确的实现代码上呢？
修改前面一个源代码，在parent2的接口里增加下面的虚函数定义：
virtual int fun1(){cout<<"parent2::fun1()"<<endl;return 0;};
上面的fun1的定义与parent1类里的完全重复相同（类型，参数列表），增加上面的代码后立即开始编译，程序正常编译通过。运行之，得到下面的结果：
child1::fun1()
child1::fun2()
这个程序居然正确的完成了执行，编译器在其中做了些怎样的工作，是怎么样避免掉队fun1函数的冲突问题呢？
让我们来看看这个时候的child1的对象布局：
class child1 size(8):
+---
| +--- (base class parent1)
0 | | {vfptr}
| +---
| +--- (base class parent2)
4 | | {vfptr}
| +---
+---
child1::$vftable@parent1@:
| &child1_meta
| 0
0 | &child1::fun1
child1::$vftable@parent2@:
| -4
0 | &child1::fun2
1 | &thunk: this-=4; goto child1::fun1
child1::fun1 this adjustor: 0
child1::fun2 this adjustor: 4
恩~~~还是两个vfptr在child1的对象布局里（不一样就怪啦，呵呵），但是第二个vfptr所指的虚函数表的内容有所变化哦！
注意看红色字体部分，虚函数表里并没有直接填写child::fun1的代码，而是多了一个 &thunk: this-=4;然后才goto child1::fun1！注意到一个关键名词thunk了吧？没错，vc在这里使用了名为thunk的技术，避免了虚函数fun1在两个基类里重复出现导致的冲突问题！（除了thunk，还有其他方法可以解决此类问题的）。
现在，我们知道为什么相同的虚函数不会在子类里出现冲突的情况了。
但是，倘若我们在基类里就是由两个冲突的普通函数，而不是虚函数，是个怎样的情况呢？
多继承产生的冲突与虚继承，虚基类
我们在parent1和parent2里添加一个相同的函数void fun3()，然后再进行编译，通过了！查看类对象布局，跟上面的完全一致。但是在main函数里调用chobj.fun3()的时候，编译器却不再能正确编译了，并且会提示“error C2385: 对“fun3”的访问不明确”的错误信息，没错，编译器不知道你要访问哪个fun3了。
如何解决这样的多继承带来的问题呢，其实有一个简单的做法。就是在方法前限定引用的具体是哪个类的函数，比如：chobj.parent1::fun3(); ，这样的写法就写明了是要调用chobj的父类parent1里的fun3()函数！
我们再看看另外一种情况，从parent1和parent2里抹去刚才添加的fun3函数，将之放到一个共同的基类里：
class commonbase
{public:
void fun3(){cout<<"commonbase::fun3()"<<endl;}};
而parent1和parent2都修改为从此类继承。可以看到，在这个情况下，依然需要使用chobj.parent1::fun3(); 的方式才可以正确调用到fun3，难道，在这种情况下，就不能自然的使用chobj.fun3()这样的方式了吗？
虚继承可以解决这个问题——我们在parent1和parent2继承common类的地方添加上一个关键词virtual，如下：
class parent1:virtual public commonbase
{public:
virtual int fun1(){cout<<"parent1::fun1()"<<endl;return 0;};};
给parent2也同样的处理，然后再次编译，这次chobj.fun3()可以编译通过了！！！
编译器这次又在私下里做了哪些工作了呢？？？？
class child1 size(16):
+---
| +--- (base class parent1)
0 | | {vfptr}
4 | | {vbptr}
| +---
| +--- (base class parent2)
8 | | {vfptr}
12 | | {vbptr}
| +---
+---
+--- (virtual base commonbase)
+---
child1::$vftable@parent1@:
| &child1_meta
| 0
0 | &child1::fun1
child1::$vftable@parent2@:
| -8
0 | &child1::fun2
1 | &thunk: this-=8; goto child1::fun1
child1::$vbtable@parent1@:
0 | -4
1 | 12 (child1d(parent1+4)commonbase)
child1::$vbtable@parent2@:
0 | -4
1 | 4 (child1d(parent2+4)commonbase)
child1::fun1 this adjustor: 0
child1::fun2 this adjustor: 8
vbi: class offset o.vbptr o.vbte fVtorDisp
commonbase 16 4 4 0
这次变化可大了去了！！！
首先，可以看到两个类parent1和parent2的对象布局里，都多了一个vbptr的指针。而在child1的对象布局里，还有一个virtual base commonbase的虚拟基类。再看看两个vbptr的内容：
12 (child1d(parent1+4)commonbase) 这个很好理解，从parent1的vbptr开始，偏移12个字节，指向的是virtual base commonbase！
再看看4 (child1d(parent2+4)commonbase) ，从parent2的vbptr开始，便宜4个字节，也指向了virtual base commonbase！
这下明白了。虚基类在child1里只有一个共同的对象布局了，所以就可以直接用chobj.fun3()啦，当然，在commonbase里的其他成员变量此时也可以同样的方式访问了！
虽然解决方案有了，但是在一个系统的设计里，如果有一个基类出现多继承冲突的情况，大部分情况下都说明这样的设计是有问题的，应该尽量避免这样的设计，并且尽量用纯虚函数，来提取一些抽象的接口类，把共同的方法接口都抽取出来，通常就能避免多继承的问题。
