C語言物件導向程式設計(三):虛擬函式與多型

    在《 C 程式設計思想》一書中對虛擬函式的實現機制有詳細的描述,一般的編譯器通過虛擬函式表,在編譯時插入一段隱藏的程式碼,儲存型別資訊和虛擬函式地址,而在呼叫時,這段隱藏的程式碼可以找到和實際物件一致的虛擬函式實現。

    我們在這裡提供一個 C 中的實現,模仿 VTABLE 這種機制,但一切都需要我們自己在程式碼中裝配。

    之前在網上看到一篇描述 C 語言實現虛擬函式和多型的文章,談到在基類中儲存派生類的指標、在派生類中儲存基類的指標來實現相互呼叫,保障基類、派生類在使用虛擬函式時的行為和 C 類似。我覺得這種方法有很大的侷限性,不說繼承層次的問題,單單是在基類中儲存派生類指標這一做法,就已經違反了虛擬函式和多型的本意——多型就是要通過基類介面來使用派生類,如果基類還需要知道派生類的資訊……。

    我的基本思路是:

  • 在“基類”中顯式宣告一個 void** 成員,作為陣列儲存基類定義的所有函式指標,同時宣告一個 int 型別的成員,指明 void* 陣列的長度。
  • “基類”定義的每個函式指標在陣列中的位置、順序是固定的,這是約定,必須的
  • 每個“派生類”都必須填充基類的函式指標陣列(可能要動態增長),沒有重寫虛擬函式時,對應位置置 0
  • “基類”的函式實現中,遍歷函式指標陣列,找到繼承層次中的最後一個非 0 的函式指標,就是實際應該呼叫的和物件相對應的函式實現

    好了,先來看一點程式碼:

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;
};

    上面的程式碼是我們接下來要討論的,先說一點,在 C 中,用結構體內的函式指標和 C 的成員函式對應, C 的這種方式,所有函式都天生是虛擬函式(指標可以隨時修改哦)。

    注意,derived 和 derived_2 並沒有定義 func_1 和 func_2 。在 C 的虛擬函式實現中,如果派生類要重寫虛擬函式,不需要在派生類中顯式宣告。要做的是,在實現檔案中實現你要重寫的函式,在建構函式中把重寫的函式填入虛擬函式表。

    我們面臨一個問題,派生類不知道基類的函式實現在什麼地方(從高內聚、低耦合的原則來看),在構造派生類例項時,如何初始化虛擬函式表?在 C 中編譯器會自動呼叫繼承層次上所有父(祖先)類的建構函式,也可以顯式在派生類的建構函式的初始化列表中呼叫基類的建構函式。怎麼辦?

    我們提供一個不那麼優雅的解決辦法:

    每個類在實現時,都提供兩個函式,一個建構函式,一個初始化函式,前者使用者生成一個類,後者用於繼承層次緊接自己的類來呼叫以便正確初始化虛擬函式表。依據這樣的原則,一個派生類,只需要呼叫直接基類的初始化函式即可,每個派生類都保證這一點,一切都可以進行下去。

    下面是要實現的兩個函式:

struct derived *new_derived();
void initialize_derived(struct derived *d);

    new 開頭的函式作為建構函式, initialize 開頭的函式作為 初始化函式。我們看一下 new_derived 這個建構函式的實現框架:

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 的建構函式 new_derived_2,那麼只需要呼叫 initialize_derived 即可。

    說完了建構函式,對應的要說解構函式,而且解構函式要是虛擬函式。在刪除一個物件時,需要從派生類的解構函式依次呼叫到繼承層次最頂層的基類的解構函式。這點在 C 中也是可以保障的。做法是:給基類顯式宣告一個解構函式,基類的實現中查詢虛擬函式表,從後往前呼叫即可。函式宣告如下:

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);
};

    說完構造、析構,該說這裡的虛擬函式表到底是怎麼回事了。我們先畫個圖,還是以剛才的 base 、 derived 、derived_2 為例來說明,一看圖就明白了:

    我們假定 derived 類實現了三個虛擬函式, derived_2 類實現了兩個,func_2 沒有實現,上圖就是 derived_2 的例項所擁有的最終的虛擬函式表,表的長度( vt_size )是 9 。如果是 derived 的例項,就沒有表中的最後三項,表的長度( vt_size )是 6 。

    必須限制的是:基類必須實現所有的虛擬函式,只有這樣,這套實現機制才可以運轉下去。因為一切的發生是從基類的實現函式進入,通過遍歷虛擬函式表來找到派生類的實現函式的。

    當我們通過 base 型別的指標(實際指向 derived_2 的例項)來訪問 func_1 時,基類實現的 func_1 會找到 VTABLE 中的 derived_2_func_1 進行呼叫。

  

    好啦,到現在為止,基本說明白了實現原理,至於 初始化函式如何裝配虛擬函式表、基類的虛擬函式實現,可以根據上面的思路寫出程式碼來。按照我的這種方法實現的虛擬函式,通過基類指標訪問,行為基本和 C 一致。

   回顧一下: