在《 C++ 編程思想》一書中對(duì)虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制有詳細(xì)的描述，一般的編譯器通過(guò)虛函數(shù)表，在編譯時(shí)插入一段隱藏的代碼，保存類型信息和虛函數(shù)地址，而在調(diào)用時(shí)，這段隱藏的代碼可以找到和實(shí)際對(duì)象一致的虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

我們?cè)谶@里提供一個(gè) C 中的實(shí)現(xiàn)，模仿 VTABLE 這種機(jī)制，但一切都需要我們自己在代碼中裝配。

之前在網(wǎng)上看到一篇描述 C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)虛函數(shù)和多態(tài)的文章，談到在基類中保存派生類的指針、在派生類中保存基類的指針來(lái)實(shí)現(xiàn)相互調(diào)用，保障基類、派生類在使用虛函數(shù)時(shí)的行為和 C++ 類似。我覺(jué)得這種方法有很大的局限性，不說(shuō)繼承層次的問(wèn)題，單單是在基類中保存派生類指針這一做法，就已經(jīng)違反了虛函數(shù)和多態(tài)的本意——多態(tài)就是要通過(guò)基類接口來(lái)使用派生類，如果基類還需要知道派生類的信息……。

我的基本思路是：

• 在“基類”中顯式聲明一個(gè) void** 成員，作為數(shù)組保存基類定義的所有函數(shù)指針，同時(shí)聲明一個(gè) int 類型的成員，指明 void* 數(shù)組的長(zhǎng)度。
• “基類”定義的每個(gè)函數(shù)指針在數(shù)組中的位置、順序是固定的，這是約定，必須的
• 每個(gè)“派生類”都必須填充基類的函數(shù)指針數(shù)組（可能要?jiǎng)討B(tài)增長(zhǎng)），沒(méi)有重寫虛函數(shù)時(shí)，對(duì)應(yīng)位置置 0
• “基類”的函數(shù)實(shí)現(xiàn)中，遍歷函數(shù)指針數(shù)組，找到繼承層次中的最后一個(gè)非 0 的函數(shù)指針，就是實(shí)際應(yīng)該調(diào)用的和對(duì)象相對(duì)應(yīng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)

好了，先來(lái)看一點(diǎn)代碼：

    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;
};
  

上面的代碼是我們接下來(lái)要討論的，先說(shuō)一點(diǎn)，在 C 中，用結(jié)構(gòu)體內(nèi)的函數(shù)指針和 C++ 的成員函數(shù)對(duì)應(yīng)， C 的這種方式，所有函數(shù)都天生是虛函數(shù)（指針可以隨時(shí)修改哦）。

注意，derived 和 derived_2 并沒(méi)有定義 func_1 和 func_2 。在 C 的虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)中，如果派生類要重寫虛函數(shù)，不需要在派生類中顯式聲明。要做的是，在實(shí)現(xiàn)文件中實(shí)現(xiàn)你要重寫的函數(shù)，在構(gòu)造函數(shù)中把重寫的函數(shù)填入虛函數(shù)表。

我們面臨一個(gè)問(wèn)題，派生類不知道基類的函數(shù)實(shí)現(xiàn)在什么地方（從高內(nèi)聚、低耦合的原則來(lái)看），在構(gòu)造派生類實(shí)例時(shí)，如何初始化虛函數(shù)表？在 C++ 中編譯器會(huì)自動(dòng)調(diào)用繼承層次上所有父（祖先）類的構(gòu)造函數(shù)，也可以顯式在派生類的構(gòu)造函數(shù)的初始化列表中調(diào)用基類的構(gòu)造函數(shù)。怎么辦？

我們提供一個(gè)不那么優(yōu)雅的解決辦法：

每個(gè)類在實(shí)現(xiàn)時(shí)，都提供兩個(gè)函數(shù)，一個(gè)構(gòu)造函數(shù)，一個(gè)初始化函數(shù)，前者用戶生成一個(gè)類，后者用于繼承層次緊接自己的類來(lái)調(diào)用以便正確初始化虛函數(shù)表。依據(jù)這樣的原則，一個(gè)派生類，只需要調(diào)用直接基類的初始化函數(shù)即可，每個(gè)派生類都保證這一點(diǎn)，一切都可以進(jìn)行下去。

下面是要實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)函數(shù)：

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

new 開(kāi)頭的函數(shù)作為構(gòu)造函數(shù)， initialize 開(kāi)頭的函數(shù)作為 初始化函數(shù)。我們看一下 new_derived 這個(gè)構(gòu)造函數(shù)的實(shí)現(xiàn)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 的構(gòu)造函數(shù) new_derived_2，那么只需要調(diào)用 initialize_derived 即可。

說(shuō)完了構(gòu)造函數(shù)，對(duì)應(yīng)的要說(shuō)析構(gòu)函數(shù)，而且析構(gòu)函數(shù)要是虛函數(shù)。在刪除一個(gè)對(duì)象時(shí)，需要從派生類的析構(gòu)函數(shù)依次調(diào)用到繼承層次最頂層的基類的析構(gòu)函數(shù)。這點(diǎn)在 C 中也是可以保障的。做法是：給基類顯式聲明一個(gè)析構(gòu)函數(shù)，基類的實(shí)現(xiàn)中查找虛函數(shù)表，從后往前調(diào)用即可。函數(shù)聲明如下：

    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(shuō)完構(gòu)造、析構(gòu)，該說(shuō)這里的虛函數(shù)表到底是怎么回事了。我們先畫個(gè)圖，還是以剛才的 base 、 derived 、derived_2 為例來(lái)說(shuō)明，一看圖就明白了：

我們假定 derived 類實(shí)現(xiàn)了三個(gè)虛函數(shù)， derived_2 類實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)，func_2 沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，上圖就是 derived_2 的實(shí)例所擁有的最終的虛函數(shù)表，表的長(zhǎng)度（ vt_size ）是 9。如果是 derived 的實(shí)例，就沒(méi)有表中的最后三項(xiàng)，表的長(zhǎng)度（ vt_size ）是 6 。

必須限制的是：基類必須實(shí)現(xiàn)所有的虛函數(shù)，只有這樣，這套實(shí)現(xiàn)機(jī)制才可以運(yùn)轉(zhuǎn)下去。因?yàn)橐磺械陌l(fā)生是從基類的實(shí)現(xiàn)函數(shù)進(jìn)入，通過(guò)遍歷虛函數(shù)表來(lái)找到派生類的實(shí)現(xiàn)函數(shù)的。

當(dāng)我們通過(guò) base 類型的指針（實(shí)際指向 derived_2 的實(shí)例）來(lái)訪問(wèn) func_1 時(shí)，基類實(shí)現(xiàn)的 func_1 會(huì)找到 VTABLE 中的 derived_2_func_1 進(jìn)行調(diào)用。

好啦，到現(xiàn)在為止，基本說(shuō)明白了實(shí)現(xiàn)原理，至于 初始化函數(shù)如何裝配虛函數(shù)表、基類的虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)上面的思路寫出代碼來(lái)。按照我的這種方法實(shí)現(xiàn)的虛函數(shù)，通過(guò)基類指針訪問(wèn)，行為基本和 C++ 一致。

回顧一下：

• C語(yǔ)言面向?qū)ο缶幊蹋ㄒ唬悍庋b與繼承
• C語(yǔ)言面向?qū)ο缶幊蹋ǘ豪^承詳解

C語(yǔ)言面向?qū)ο缶幊蹋ㄈ禾摵瘮?shù)與多態(tài)