面向对象的 C 语言程序设计 (III):虚拟函数和多态性
在《 C++ 编程思想》一书中对虚函数的实现机制有详细的描述,一般的编译器通过虚函数表,在编译时插入一段隐藏的代码,保存类型信息和虚函数地址,而在调用时,这段隐藏的代码可以找到和实际对象一致的虚函数实现。
我们在这里提供一个 C 中的实现,模仿 VTABLE 这种机制,但一切都需要我们自己在代码中装配。
之前在网上看到一篇描述 C 语言实现虚函数和多态的文章,谈到在基类中保存派生类的指针、在派生类中保存基类的指针来实现相互调用,保障基类、派生类在使用虚函数时的行为和 C++ 类似。我觉得这种方法有很大的局限性,不说继承层次的问题,单单是在基类中保存派生类指针这一做法,就已经违反了虚函数和多态的本意——多态就是要通过基类接口来使用派生类,如果基类还需要知道派生类的信息……。
我的基本思路是:
在“基类”中显式声明一个 void** 成员,作为数组保存基类定义的所有函数指针,同时声明一个 int 类型的成员,指明 void* 数组的长度。
“基类”定义的每个函数指针在数组中的位置、顺序是固定的,这是约定,必须的
每个“派生类”都必须填充基类的函数指针数组(可能要动态增长),没有重写虚函数时,对应位置置 0
“基类”的函数实现中,遍历函数指针数组,找到继承层次中的最后一个非 0 的函数指针,就是实际应该调用的和对象相对应的函数实现
好了,先来看一点代码:
[cpp] view plain copy
struct base {
void ** vtable;
int vt_size;
void (*func_1)(struct base *b);
int (*func_2)(struct base *b, int x);
};
struct derived {
struct base b;
int i;
};
struct derived_2{
struct derived d;
char *name;
};
上面的代码是我们接下来要讨论的,先说一点,在 C 中,用结构体内的函数指针和 C++ 的成员函数对应, C 的这种方式,所有函数都天生是虚函数(指针可以随时修改哦)。
注意,derived 和 derived_2 并没有定义 func_1 和 func_2 。在 C 的虚函数实现中,如果派生类要重写虚函数,不需要在派生类中显式声明。要做的是,在实现文件中实现你要重写的函数,在构造函数中把重写的函数填入虚函数表。
我们面临一个问题,派生类不知道基类的函数实现在什么地方(从高内聚、低耦合的原则来看),在构造派生类实例时,如何初始化虚函数表?在 C++ 中编译器会自动调用继承层次上所有父(祖先)类的构造函数,也可以显式在派生类的构造函数的初始化列表中调用基类的构造函数。怎么办?
我们提供一个不那么优雅的解决办法:
每个类在实现时,都提供两个函数,一个构造函数,一个初始化函数,前者用户生成一个类,后者用于继承层次紧接自己的类来调用以便正确初始化虚函数表。依据这样的原则,一个派生类,只需要调用直接基类的初始化函数即可,每个派生类都保证这一点,一切都可以进行下去。
下面是要实现的两个函数:
[cpp] view plain copy
struct derived *new_derived();
void initialize_derived(struct derived *d);
new 开头的函数作为构造函数, initialize 开头的函数作为 初始化函数。我们看一下 new_derived 这个构造函数的实现框架:
[cpp] view plain copy
struct derived *new_derived()
{
struct derived * d = malloc(sizeof(struct derived));
initialize_base((struct base*)d);
initialize_derived(d);/* setup or modify VTABLE */
return d;
}
如果是 derived_2 的构造函数 new_derived_2,那么只需要调用 initialize_derived 即可。
说完了构造函数,对应的要说析构函数,而且析构函数要是虚函数。在删除一个对象时,需要从派生类的析构函数依次调用到继承层次最顶层的基类的析构函数。这点在 C 中也是可以保障的。做法是:给基类显式声明一个析构函数,基类的实现中查找虚函数表,从后往前调用即可。函数声明如下:
[cpp] view plain copy
struct base {
void ** vtable;
int vt_size;
void (*func_1)(struct base *b);
int (*func_2)(struct base *b, int x);
void (*deletor)(struct base *b);
};
说完构造、析构,该说这里的虚函数表到底是怎么回事了。我们先画个图,还是以刚才的 base 、 derived 、derived_2 为例来说明,一看图就明白了:
我们假定 derived 类实现了三个虚函数, derived_2 类实现了两个,func_2 没有实现,上图就是 derived_2 的实例所拥有的最终的虚函数表,表的长度( vt_size )是 9 。如果是 derived 的实例,就没有表中的最后三项,表的长度( vt_size )是 6 。
必须限制的是:基类必须实现所有的虚函数,只有这样,这套实现机制才可以运转下去。因为一切的发生是从基类的实现函数进入,通过遍历虚函数表来找到派生类的实现函数的。
当我们通过 base 类型的指针(实际指向 derived_2 的实例)来访问 func_1 时,基类实现的 func_1 会找到 VTABLE 中的 derived_2_func_1 进行调用。
好啦,到现在为止,基本说明白了实现原理,至于 初始化函数如何装配虚函数表、基类的虚函数实现,可以根据上面的思路写出代码来。按照我的这种方法实现的虚函数,通过基类指针访问,行为基本和 C++ 一致。
回顾一下:
C语言面向对象编程(一):封装与继承
C语言面向对象编程(二):继承详解
网友评论:
initialize 开头的初始化函数是如何实现的?
就是给vtable分配空间,给函数指针赋值。主要干这两件事情。vtable是动态的,根据继承层次多少可以动态增长。
上一篇: 通过虚拟函数实现多态性的原理和分析
下一篇: 纯虚函数
推荐阅读
-
35 岁实现财务*,腾讯程序员手握2300万提前退休?-1000万房产、1000万腾讯股票、加上300万的现金,一共2300万的财产。有网友算了一笔账,假设1000万的房产用于自住,剩下1300万资产按照平均税后20-50万不等进行计算,大约花上26-60年左右的时间才能赚到这笔钱。也就是说,普通人可能奋斗一辈子,才能赚到这笔钱。在很多人还在为中年危机而惶惶不可终日的时候,有的人的35岁,就已经安全着陆,试问哪个打工人不羡慕?但问题是有这样财富积累必然有像样的实力做靠山。没有人可以不劳而获。 看到这里,肯定有人说,那么对于普通人来说,卷可能真就成了唯一的出路。但是卷也有轻松的卷,“偷懒”的卷法,对于程序员而言,刨除掉一时无法改掉的开会传统占用的大部分时间,如何把有限的时间和精力放在真正重要的架构设计、需求设计上,而不是重复的造*,编码、改bug、手动测试。因此在科技改变生活的今天,学会使用AI工具成为程序员们的必备技能。 以全栈式全自动的软件开发工具飞算SoFlu软件机器人为例,作为全球首款面向微服务架构设计和最佳实践的软件机器人,SoFlu软件机器人改变了原来手工编码的作业模式,通过可视化拖拽方式以及参数配置就能实现等同于编写复杂代码的业务逻辑,在设计业务逻辑时就完成了微服务应用开发,做到“业务即图,图即代码”,实现“软件开发,十倍提效”。 而作为飞算SoFlu软件机器人的一个重要组成部分,FuncGPT(慧函数)支持所有类型函数创建。通过自然语言描述Java函数需求,实时生成高质量、高可读性的Java函数代码。生成代码可直接复制到IDEA,或一键导入Java全自动开发工具函数库。 FuncGPT(慧函数)具有五大核心能力: ● 自然语言:通过自然语言即可生成函数,降低软件开发门槛。 ● 秒级函数开发:全自动秒级开发函数,秒级完成,效率千倍提升。 ● 一站式函数开发应用:函数生成即可直接应用,效率、安全有保障。 ● 质量可靠:生成的函数代码符合业界规范、具备良好的可读性,符合最优解。 ● 灵活生成:可以根据开发人员的具体需求生成并支持调整和修改。 以“将文件流转换为File对象”这个需求为例,以下是FuncGPT(慧函数)秒级生成的代码: / 类名:FileConverter // 函数名:convertStreamToFile // 函数功能:将文件流转换为File对象 // POM依赖包:无 import java.io.File; import java.io.FileOutputStream; import java.io.IOException; import java.io.InputStream; public class FileConverter { /** * 将文件流转换为File对象 * @param inputStream 文件流 * @param filePath 文件路径 * @param fileName 文件名 * @return 转换后的File对象 * @throws IOException 如果发生I/O异常 */ public static File convertStreamToFile(InputStream inputStream, String filePath, String fileName) throws IOException { File file = new File(filePath + File.separator + fileName); // 创建File对象 try (FileOutputStream outputStream = new FileOutputStream(file)) { // 创建文件输出流 byte buffer = new byte[1024]; int bytesRead; while ((bytesRead = inputStream.read(buffer)) != -1) { // 从文件流读取数据并写入文件 outputStream.write(buffer, 0, bytesRead); } } return file; // 返回转换后的File对象 } } // 函数示例 // 将文件流转换为File对象示例 // 入参:inputStream,文件流 // 入参:filePath,文件路径 // 入参:fileName,文件名 // 出参:file,转换后的File对象 // 调用示例: // InputStream inputStream = new FileInputStream("example.txt"); // String filePath = "C:\\Users\\User\\Documents"; // String fileName = "example.txt"; // File file = FileConverter.convertStreamToFile(inputStream, filePath, fileName); // System.out.println(file.getAbsolutePath); // 输出结果:例如,将文件流转换为File对象后,文件的绝对路径为:C:\Users\User\Documents\example.txt // 则输出结果为:C:\Users\User\Documents\example.txt 通过分析,不难发现以上代码:
-
面向对象的 C 语言程序设计 (III):虚拟函数和多态性
-
C++ 虚拟函数详解:多态性实现原理及其在面向对象编程中的应用
-
F#探险之旅(二):函数式编程(上)-函数式编程范式简介 F#主要支持三种编程范式:函数式编程(Functional Programming,FP)、命令式编程(Imperative Programming)和面向对象(Object-Oriented,OO)的编程。回顾它们的历史,FP是最早的一种范式,第一种FP语言是IPL,产生于1955年,大约在Fortran一年之前。第二种FP语言是Lisp,产生于1958,早于Cobol一年。Fortan和Cobol都是命令式编程语言,它们在科学和商业领域的迅速成功使得命令式编程在30多年的时间里独领风骚。而产生于1970年代的面向对象编程则不断成熟,至今已是最流行的编程范式。有道是“*代有语言出,各领风骚数十年”。 尽管强大的FP语言(SML,Ocaml,Haskell及Clean等)和类FP语言(APL和Lisp是现实世界中最成功的两个)在1950年代就不断发展,FP仍停留在学院派的“象牙塔”里;而命令式编程和面向对象编程则分别凭着在商业领域和企业级应用的需要占据领先。今天,FP的潜力终被认识——它是用来解决更复杂的问题的(当然更简单的问题也不在话下)。 纯粹的FP将程序看作是接受参数并返回值的函数的集合,它不允许有副作用(side effect,即改变了状态),使用递归而不是循环进行迭代。FP中的函数很像数学中的函数,它们都不改变程序的状态。举个简单的例子,一旦将一个值赋给一个标识符,它就不会改变了,函数不改变参数的值,返回值是全新的值。 FP的数学基础使得它很是优雅,FP的程序看起来往往简洁、漂亮。但它无状态和递归的天性使得它在处理很多通用的编程任务时没有其它的编程范式来得方便。但对F#来说这不是问题,它的优势之一就是融合了多种编程范式,允许开发人员按照需要采用最好的范式。 关于FP的更多内容建议阅读一下这篇文章:Why Functional Programming Matters(中文版)。F#中的函数式编程 从现在开始,我将对F#中FP相关的主要语言结构逐一进行介绍。标识符(Identifier) 在F#中,我们通过标识符给值(value)取名字,这样就可以在后面的程序中引用它。通过关键字let定义标识符,如: let x = 42 这看起来像命令式编程语言中的赋值语句,两者有着关键的不同。在纯粹的FP中,一旦值赋给了标识符就不能改变了,这也是把它称为标识符而非变量(variable)的原因。另外,在某些条件下,我们可以重定义标识符;在F#的命令式编程范式下,在某些条件下标识符的值是可以修改的。 标识符也可用于引用函数,在F#中函数本质上也是值。也就是说,F#中没有真正的函数名和参数名的概念,它们都是标识符。定义函数的方式与定义值是类似的,只是会有额外的标识符表示参数: let add x y = x + y 这里共有三个标识符,add表示函数名,x和y表示它的参数。关键字和保留字关键字是指语言中一些标记,它们被编译器保留作特殊之用。在F#中,不能用作标识符或类型的名称(后面会讨论“定义类型”)。它们是: abstract and as asr assert begin class default delegate do donedowncast downto elif else end exception extern false finally forfun function if in inherit inline interface internal land lazy letlor lsr lxor match member mod module mutable namespace new nullof open or override private public rec return sig static structthen to true try type upcast use val void when while with yield 保留字是指当前还不是关键字,但被F#保留做将来之用。可以用它们来定义标识符或类型名称,但编译器会报告一个警告。如果你在意程序与未来版本编译器的兼容性,最好不要使用。它们是: atomic break checked component const constraint constructor continue eager event external fixed functor global include method mixinobject parallel process protected pure sealed trait virtual volatile 文字值(Literals) 文字值表示常数值,在构建计算代码块时很有用,F#提供了丰富的文字值集。与C#类似,这些文字值包括了常见的字符串、字符、布尔值、整型数、浮点数等,在此不再赘述,详细信息请查看F#手册。 与C#一样,F#中的字符串常量表示也有两种方式。一是常规字符串(regular string),其中可包含转义字符;二是逐字字符串(verbatim string),其中的(")被看作是常规的字符,而两个双引号作为双引号的转义表示。下面这个简单的例子演示了常见的文字常量表示: let message = "Hello World"r"n!" // 常规字符串let dir = @"C:"FS"FP" // 逐字字符串let bytes = "bytes"B // byte 数组let xA = 0xFFy // sbyte, 16进制表示let xB = 0o777un // unsigned native-sized integer,8进制表示let print x = printfn "%A" xlet main = print message; print dir; print bytes; print xA; print xB; main Printf函数通过F#的反射机制和.NET的ToString方法来解析“%A”模式,适用于任何类型的值,也可以通过F#中的print_any和print_to_string函数来完成类似的功能。值和函数(Values and Functions) 在F#中函数也是值,F#处理它们的语法也是类似的。 let n = 10let add a b = a + blet addFour = add 4let result = addFour n printfn "result = %i" result 可以看到定义值n和函数add的语法很类似,只不过add还有两个参数。对于add来说a + b的值自动作为其返回值,也就是说在F#中我们不需要显式地为函数定义返回值。对于函数addFour来说,它定义在add的基础上,它只向add传递了一个参数,这样对于不同的参数addFour将返回不同的值。考虑数学中的函数概念,F(x, y) = x + y,G(y) = F(4, y),实际上G(y) = 4 + y,G也是一个函数,它接收一个参数,这个地方是不是很类似?这种只向函数传递部分参数的特性称为函数的柯里化(curried function)。 当然对某些函数来说,传递部分参数是无意义的,此时需要强制提供所有参数,可是将参数括起来,将它们转换为元组(tuple)。下面的例子将不能编译通过: let sub(a, b) = a - blet subFour = sub 4 必须为sub提供两个参数,如sub(4, 5),这样就很像C#中的方法调用了。 对于这两种方式来说,前者具有更高的灵活性,一般可优先考虑。 如果函数的计算过程中需要定义一些中间值,我们应当将这些行进行缩进: let halfWay a b = let dif = b - a let mid = dif / 2 mid + a 需要注意的是,缩进时要用空格而不是Tab,如果你不想每次都按几次空格键,可以在VS中设置,将Tab字符自动转换为空格;虽然缩进的字符数没有限制,但一般建议用4个空格。而且此时一定要用在文件开头添加#light指令。作用域(Scope)作用域是编程语言中的一个重要的概念,它表示在何处可以访问(使用)一个标识符或类型。所有标识符,不管是函数还是值,其作用域都从其声明处开始,结束自其所处的代码块。对于一个处于最顶层的标识符而言,一旦为其赋值,它的值就不能修改或重定义了。标识符在定义之后才能使用,这意味着在定义过程中不能使用自身的值。 let defineMessage = let message = "Help me" print_endline message // error 对于在函数内部定义的标识符,一般而言,它们的作用域会到函数的结束处。 但可使用let关键字重定义它们,有时这会很有用,对于某些函数来说,计算过程涉及多个中间值,因为值是不可修改的,所以我们就需要定义多个标识符,这就要求我们去维护这些标识符的名称,其实是没必要的,这时可以使用重定义标识符。但这并不同于可以修改标识符的值。你甚至可以修改标识符的类型,但F#仍能确保类型安全。所谓类型安全,其基本意义是F#会避免对值的错误操作,比如我们不能像对待字符串那样对待整数。这个跟C#也是类似的。 let changeType = let x = 1 let x = "change me" let x = x + 1 print_string x 在本例的函数中,第一行和第二行都没问题,第三行就有问题了,在重定义x的时候,赋给它的值是x + 1,而x是字符串,与1相加在F#中是非法的。 另外,如果在嵌套函数中重定义标识符就更有趣了。 let printMessages = let message = "fun value" printfn "%s" message; let innerFun = let message = "inner fun value" printfn "%s" message innerFun printfn "%s" message printMessages 打印结果: fun value inner fun valuefun value 最后一次不是inner fun value,因为在innerFun仅仅将值重新绑定而不是赋值,其有效范围仅仅在innerFun内部。递归(Recursion)递归是编程中的一个极为重要的概念,它表示函数通过自身进行定义,亦即在定义处调用自身。在FP中常用于表达命令式编程的循环。很多人认为使用递归表示的算法要比循环更易理解。 使用rec关键字进行递归函数的定义。看下面的计算阶乘的函数: let rec factorial x = match x with | x when x < 0 -> failwith "value must be greater than or equal to 0" | 0 -> 1 | x -> x * factorial(x - 1) 这里使用了模式匹配(F#的一个很棒的特性),其C#版本为: public static long Factorial(int n) { if (n < 0) { throw new ArgumentOutOfRangeException("value must be greater than or equal to 0"); } if (n == 0) { return 1; } return n * Factorial (n - 1); } 递归在解决阶乘、Fibonacci数列这样的问题时尤为适合。但使用的时候要当心,可能会写出不能终止的递归。匿名函数(Anonymous Function) 定义函数的时候F#提供了第二种方式:使用关键字fun。有时我们没必要给函数起名,这种函数就是所谓的匿名函数,有时称为lambda函数,这也是C#3.0的一个新特性。比如有的函数仅仅作为一个参数传给另一个函数,通常就不需要起名。在后面的“列表”一节中你会看到这样的例子。除了fun,我们还可以使用function关键字定义匿名函数,它们的区别在于后者可以使用模式匹配(本文后面将做介绍)特性。看下面的例子: let x = (fun x y -> x + y) 1 2let x1 = (function x -> function y -> x + y) 1 2let x2 = (function (x, y) -> x + y) (1, 2) 我们可优先考虑fun,因为它更为紧凑,在F#类库中你能看到很多这样的例子。 注意:本文中的代码均在F# 1.9.4.17版本下编写,在F# CTP 1.9.6.0版本下可能不能通过编译。 F#系列随笔索引页面