对C++中构造函数、析构函数、虚函数及一般成员函数的理解总结

作者: veaxen 分类: C/C++ 发布时间: 2017-04-08 01:22

这里我们主要讨论构造函数、析构函数、普通成员函数、虚函数,对这几种函数说说自己的理解。

对构造函数的总结

对构造函数,我们先来看看如下的代码

#include <iostream>
using namespace std;

class Base{
public:
        Base(){
                cout<<"This is constructor from Base"<<endl;
        }
};

class Derived:public Base{
public:
        Derived(){
                cout<<"This is constructor from Derived"<<endl;
        }        
};

int main()
{
        Derived D;
        return 0;
}

编译运行的结果是:

This is constructor from Base
This is constructor from Derived

构造函数的作用的对实例化的对象进行初始化,在单继承关系中,由于一定是先有父类才会有子类(先有爸爸再有儿子嘛),所以父类的构造函数的执行会在子类的构造函数之前
如果子类继承来自多个父类,也就是多继承,那么构造函数也是父类的构造函数先被执行完成,再执行子类的,那么多个父类先执行哪个父类的呢?按照先继承先执行的原则
例如代码:

#include <iostream>
using namespace std;

class Base{
public:
        Base(){
                cout<<"This is constructor from Base"<<endl;
        }
};

class Base2{
public:
        Base2(){
                cout<<"This is constructor from Base2"<<endl;
        }
};

class Derived:public Base,public Base2{
public:
        Derived(){
                cout<<"This is constructor from Derived"<<endl;
        }        
};

int main()
{
        Derived D;
        return 0;
}

Derived类先继承了Base,再继承了Base2,所以执行结果为:

This is constructor from Base
This is constructor from Base2
This is constructor from Derived

对构造函数有的一些浅显的认识之后我们来更加深入的理解构造函数:
构造函数除了通过实例化对象来调用之外,还可以怎么调用?

#include <iostream>
using namespace std;

class Base{
public:
        Base(){
                cout<<"This is constructor from Base"<<endl;
        }
};

class Derived:public Base{
public:
        Derived(){
                cout<<"This is constructor from Derived"<<endl;
        }
};

int main()
{
        Derived const &D = Derived();
        cout<<"This is a test"<<endl;
        return 0;
}

这里main函数中使用Derived()直接调用Derived类的构造函数,只要调用了构造函数,那么就实例化了一个对象,只不过这里直接调用构造函数产生的对象是一个临时的对象,所以要访问这个临时对象需要使用const引用,在const引用D生命周期内,这个临时对象就会一直存在,但由于是const引用,所以这个临时对象不能被修改。
上面的代码执行的结果是:

This is constructor from Base
This is constructor from Derived
This is a test

为了说明临时对象的生命周期,我们这里使用析构函数,关于析构函数,后面会有讲解,修改后的代码如下:

#include <iostream>
using namespace std;

class Base{
public:
        Base(){
                cout<<"This is constructor from Base"<<endl;
        }
        ~Base(){
                cout<<"This is destructor from Base"<<endl;
        }
};

class Derived:public Base{
public:
        Derived(){
                cout<<"This is constructor from Derived"<<endl;
        }
        ~Derived(){
                cout<<"This is constructor frome Derived"<<endl;
        }
};

int main()
{
        Derived();
        cout<<"This is a test"<<endl;
        return 0;
}

由于没有被const引用,所以在执行完构造函数后,这个临时对象就被执行了析构函数,因此运行的结果如下:

This is constructor from Base
This is constructor from Derived
This is constructor frome Derived
This is destructor from Base
This is a test

在打印This is a test之前,临时对象就被析构了。

这里还有另一个问题,我们调用的是子类的构造函数,基类的构造函数是什么时候被调用的??其实基类的构造函数是被子类的构造函数调用的,编译器在子类构造函数的最开始部分添加了调用基类构造函数的代码,这部分的编译器帮我们干的,调用的顺序跟继承的顺序是一样的。

构造函数不可以被定义为虚函数,这一点可以参考的另一篇博文《C++函数中那些不可以被声明为虚函数的函数》。

构造函数除了不可以被定义为虚函数之外,构造函数中C++的虚拟机制是无效的,具体参考我的博文《构造函数中,虚拟机制不会被执行》。

对析构函数的总结

理解了构造函数之后,我们很容易理解析构函数,析构函数就是当对象被销毁、删除时调用的函数。
在演示直接使用构造函数创建临时对象的时候已经借助了析构函数来理解临时对象的创建,析构函数的执行顺序与构造函数的执行顺序相反,是先析构子类,再析构父类,这个应该不难理解。
同构造函数被调用的道理一样,基类的析构函数是在子类的析构函数中被调用的,编译器会在子类析构函数的最后添加调用基类的析构的代码,这也是编译器帮我们做的。
关于上面的描述,我就不以代码的形式加以说明了,其实跟构造函数的理解的相似的,但是析构函数与构造函数不同,析构函数是可以被定义为虚函数的,而且当一个类为基类时,那么这个类的析构函数一定要被定义为虚函数,所以我上面演示的代码没有把Base的析构函数定义为虚函数其实是很有问题的,具体什么问题,请参考我的博文《C++中虚析构函数的作用》。

当基类定义了一个虚的析构函数时,被子类继承时,基类的析构函数将被覆盖,那么基类的析构函数是如何被正确执行的呢??因为子类的析构函数最后调用了基类的析构函数啊。既然被覆盖了,那还怎么调用?看完文章就知道啦。

虚函数的总结

C++中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态,简而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例,然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”,这是一种泛型技术。所谓泛型技术,说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比如:模板技术,虚函数技术,要么是试图做到在编译时决议,要么试图做到运行时决议。

虚函数表

对C++ 了解的人都应该知道虚函数(Virtual Function)是通过一张虚函数表(Virtual Table)来实现的。简称为V-Table。 在这个表中,主是要一个类的虚函数的地址表,这张表解决了继承、覆盖的问题,保证其容真实反应实际的函数。这样,在有虚函数的类的实例中这个表被分配在了 这个实例的内存中,所以,当我们用父类的指针来操作一个子类的时候,这张虚函数表就显得由为重要了,它就像一个地图一样,指明了实际所应该调用的函数。

这里我们着重看一下这张虚函数表。在C++的标准规格说明书中说到,编译器必需要保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置(这是为了保证正确取到虚函数的偏移量)。 这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表,然后就可以遍历其中函数指针,并调用相应的函数。

听我扯了那么多,我可以感觉出来你现在可能比以前更加晕头转向了。 没关系,下面就是实际的例子,相信聪明的你一看就明白了。

假设我们有这样的一个类:

class Base {

public:

virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }

virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }

virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }

};

按照上面的说法,我们可以通过Base的实例来得到虚函数表。 下面是实际例程:

typedef void(*Fun)(void);

Base b;

Fun pFun = NULL;

cout << "虚函数表地址:" << (int*)(*(int*)(&b)) << endl;

cout << "虚函数表 — 第一个函数地址:" << (int*)*((int*)(*(int*)(&b))) << endl;

pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));/*获得虚函数表第一个函数*/

pFun();/*执行虚函数*/

实际运行经果如下:

虚函数表地址:0012FED4
虚函数表 — 第一个函数地址:0044F148
Base::f

通过这个示例,我们可以看到,我们可以通过强行把&b转成int ,取得虚函数表的地址,然后,再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了,也就是Base::f(),这在上面的程序中得到了验证(把int 强制转成了函数指针)。通过这个示例,我们就可以知道如果要调用Base::g()和Base::h(),其代码如下:

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::f()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base::g()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h()

这个时候你应该懂了吧。什么?还是有点晕。也是,这样的代码看着太乱了。没问题,让我画个图解释一下。如下所示:

注意:在上面这个图中,我在虚函数表的最后多加了一个结点,这是虚函数表的结束结点,就像字符串的结束符“\0”一样,其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在WinXP+VS2003下,这个值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下,这个值是如果1,表示还有下一个虚函数表,如果值是0,表示是最后一个虚函数表。

下面,我将分别说明“无覆盖”和“有覆盖”时的虚函数表的样子。没有覆盖父类的虚函数是毫无意义的。我之所以要讲述没有覆盖的情况,主要目的是为了给一个对比。在比较之下,我们可以更加清楚地知道其内部的具体实现。

一般继承(无虚函数覆盖)

下面,再让我们来看看继承时的虚函数表是什么样的。假设有如下所示的一个继承关系:

请注意,在这个继承关系中,子类没有重载任何父类的函数。那么,在派生类的实例中,其虚函数表如下所示:

对于实例:Derive d; 的虚函数表如下:

我们可以看到下面几点:

1)虚函数按照其声明顺序放于表中。

2)父类的虚函数在子类的虚函数前面。

我相信聪明的你一定可以参考前面的那个程序,来编写一段程序来验证。

一般继承(有虚函数覆盖)

覆盖父类的虚函数是很显然的事情,不然,虚函数就变得毫无意义。下面,我们来看一下,如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数,会是一个什么样子?假设,我们有下面这样的一个继承关系。

为了让大家看到被继承过后的效果,在这个类的设计中,我只覆盖了父类的一个函数:f()。那么,对于派生类的实例,其虚函数表会是下面的一个样子:

我们从表中可以看到下面几点,

1)覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。

2)没有被覆盖的函数依旧。

这样,我们就可以看到对于下面这样的程序,

Base *b = new Derive();

b->f();

由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代,于是在实际调用发生时,是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。

多重继承(无虚函数覆盖)

下面,再让我们来看看多重继承中的情况,假设有下面这样一个类的继承关系。注意:子类并没有覆盖父类的函数。

对于子类实例中的虚函数表,是下面这个样子:

我们可以看到:

1) 每个父类都有自己的虚表。

2) 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。(所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的)

这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例,而能够调用到实际的函数。

多重继承(有虚函数覆盖)

下面我们再来看看,如果发生虚函数覆盖的情况。

下图中,我们在子类中覆盖了父类的f()函数。

下面是对于子类实例中的虚函数表的图:

我们可以看见,三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样,我们就可以任一静态类型的父类来指向子类,并调用子类的f()了。如:

Derive d;

Base1 *b1 = &d;

Base2 *b2 = &d;

Base3 *b3 = &d;

b1->f(); //Derive::f()

b2->f(); //Derive::f()

b3->f(); //Derive::f()

b1->g(); //Base1::g()

b2->g(); //Base2::g()

b3->g(); //Base3::g()

通过父类型的指针访问子类自己的虚函数

我们知道,子类没有重载父类的虚函数是一件毫无意义的事情。因为多态也是要基于函数重载的。虽然在上面的图中我们可以看到Base1的虚表中有Derive的虚函数,但我们根本不可能使用下面的语句来调用子类的自有虚函数:

Base1 *b1 = new Derive();

b1->f1(); //编译出错

任何妄图使用父类指针想调用子类中的未覆盖父类的成员函数的行为都会被编译器视为非法,所以,这样的程序根本无法编译通过。但在运行时,我们可以通过指针的方式访问虚函数表来达到违反C++语义的行为。(关于这方面的尝试,通过阅读后面附录的代码,相信你可以做到这一点)

再谈虚析构函数

其实虚析构函数和一般的虚函数没有太大的区别,虚析构函数也是储存在虚函数表中的,区别在于基类和子类虚析构函数虽然名字不同,但是子类的析构函数会替换掉父类虚析构函数在虚函数表中的位置(覆盖),还记得吗?子类的析构函数的开头自动帮我们调用了基类的析构函数,所以编译器实际上为了实现调用基类的析构函数,在子类的析构函数开头就添加了基类的析构函数的函数调用。

关于虚析构函数,可以参考《C++中虚析构函数的作用

访问non-public的虚函数

另外,如果父类的虚函数是private或是protected的,但这些非public的虚函数同样会存在于虚函数表中,所以,我们同样可以使用访问虚函数表的方式来访问这些non-public的虚函数,这是很容易做到的。

一般成员函数

关于C++中的成员函数,我之前只停留在会使用,但并不理解对象是如何调用成员函数的,又是怎么访问到成员变量的,现在就来分析分析C++是如何实现类的成员函数的。

首先,我们知道函数的指令也是存储在内存中等待被执行的,这个存储代码的区域被称为代码段(本文不探究这个),既然是在内存中,那么就可以通过地址来访问到,C++中类的成员函数也是这样的,类的成员函数实际上就和一般的全局函数存储的地方是一样的,只是加了个类名作为名字空间(namespace),所以我们可以像前文一样通过地址访问虚函数,来通过地址访问一般的成员函数。

class test  
{  
public:  
    void print (){  
       printf ("function print");  
    }  
};  

typedef void (test::*fun)();  
fun f = &test::print;  
test t;  
(t.*f)();

其实我们知道类成员函数只是函数第一个参数是this指针,但是this指针不是通过普通函数参数压栈方式,而是放进ecx中。

总结

这篇文章写了好久,参考了很到大神的文章,加上自己的一些理解,终于整理完了,还是很开心的。

参考:
http://blog.csdn.net/neiloid/article/details/6934135
http://blog.csdn.net/u013630349/article/details/47072091

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