本篇文章給大家分享的是有關(guān)c++成員函數(shù)指針是什么，小編覺得挺實用的，因此分享給大家學習，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲，話不多說，跟著小編一起來看看吧。

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1前言

C++語言支持指向成員函數(shù)的指針這一語言機制。就像許多其它C++語言機制一樣，它也是一把雙刃劍，用得好，能夠提高程序的靈活性、可擴展性等等，但是也存在一些不易發(fā)現(xiàn)的陷阱，我們在使用它的時候需要格外注意,尤其是在我們把它和c++其它的語言機制合起來使用的時候更是要倍加當心。

關(guān)鍵字：成員函數(shù)指針，繼承，虛函數(shù)，this指針調(diào)整，static_cast

2語法

C++成員函數(shù)指針（pointer
to member function）的用法和C語言的函數(shù)指針有些相似.

下面的代碼說明了成員函數(shù)指針的一般用法：

使用typedef可以讓代碼變得略微好看一點：

注意獲取一個成員函數(shù)指針的語法要求很嚴格：

1)       
不能使用括號：例如&(ClassName::foo)不對。

2)       
必須有限定符：例如&foo不對。即使在類ClassName的作用域內(nèi)也不行。

3)       
必須使用取地址符號：例如直接寫ClassName::foo不行。（雖然普通函數(shù)指針可以這樣）

所以，必須要這樣寫：&ClassName::foo。

C++成員函數(shù)的調(diào)用需要至少3個要素：this指針，函數(shù)參數(shù)(也許為空)，函數(shù)地址。上面的調(diào)用中，->*和.*運算符之前的對象/指針提供了this（和真正使用this并不完全一致，后面會討論），參數(shù)在括號內(nèi)提供，pmf則提供了函數(shù)地址。

注意這里成員函數(shù)指針已經(jīng)開始顯示它“異類”的天性了。上面代碼中注釋A和B處兩個表達式，產(chǎn)生了一個在C++里面沒有類型(type)的“東西”（這是C++語言里面唯一的例外，其它任何東西都是有類型的），這就是.*和->*運算符：

(c.*pmf)

(Pc->*pmf)

這兩個運算符求值生成的“東西”我們只知道可以把它拿來當函數(shù)調(diào)用一樣使喚，別的什么也不能干，甚至都不能把它存在某個地方。就因為這個原因，Andrei Alexandrescu在他那本著名的《Modern c++ design》里面就說，成員函數(shù)指針和這兩個操作符號是“curiously half-baked concept in c++”。（5.9節(jié)）

C++里面引入了“引用”(reference)的概念，可是卻不存在“成員函數(shù)的引用”，這也是一個特殊的地方。(當然，我們可以使用“成員函數(shù)指針”的引用，呵呵)

3與其它語言機制的混合使用

C++是一種Multi-Paradigm的語言，各種語言機制混合使用也是平常的事。這里我們只提幾種會影響到成員函數(shù)指針實現(xiàn)和運行的語言機制。

3.1繼承

根據(jù)C++語言規(guī)定，成員函數(shù)指針具有contravariance特性，就是說，基類的成員函數(shù)指針可以賦值給繼承類的成員函數(shù)指針，C++語言提供了默認的轉(zhuǎn)換方式，但是反過來不行。

3.2虛函數(shù)

首先要說明，指向虛擬成員函數(shù)（virtual function
member）的指針也能正確表現(xiàn)出虛擬函數(shù)的特性。舉例說明如下：

    class B { public:
virtual int
foo(int) {/* B's
implementation */return 0; } };

    class D : public
B { public: virtual
int foo(int) { /* D's implementation */ return
0; } };

     int
(B::*pmf)(int) = &B::foo;

     D d;

     B* pb = &d;

     (d.*pmf)(0);     //這里執(zhí)行D::foo

     (pb->*pmf)(0);   //這里執(zhí)行D::foo，多態(tài)

C++借由虛函數(shù)提供了運行時多態(tài)特性，虛函數(shù)的實現(xiàn)和普通函數(shù)有很大的不同。一般編譯器都是采用大家都熟悉的v-table (virtual function table)的方式。所有的虛函數(shù)地址存在一個函數(shù)表里面，類對象中存儲該函數(shù)表的首地址（vptr_point）。運行時根據(jù)this指針、虛函數(shù)索引和虛函數(shù)表指針找到函數(shù)調(diào)用地址。

3.2多繼承因為這些不同，所以成員函數(shù)指針碰上虛函數(shù)的時候，也需要作特殊的處理，才能正確表現(xiàn)出所期望的虛擬性質(zhì)。

這里扯上多繼承，是因為多繼承的存在導致了成員函數(shù)指針的實現(xiàn)的復雜性。這是因為編譯器有時候需要進行”this”指針調(diào)整。

舉例說明如下：

class B1{};

class B2{};

class D: public
B1, public B2{}

假設(shè)上面三個對象都不涉及到虛函數(shù)，D在內(nèi)存中的典型布局如下圖所示（如果有虛函數(shù)則多一個vptr指針， 差別不大）。

現(xiàn)在假設(shè)我們經(jīng)由D對象調(diào)用B2的函數(shù)，

D d；

d.fun_of_b2(); 

這里傳給fun_of_b2的this指針不能是&d,而應該對&d加上一個偏移，得到D內(nèi)含的B2子對象的首地址處。

成員函數(shù)指針的實現(xiàn)必須考慮這種情況。

多繼承總是不那么受歡迎。不過即使是單繼承，上面的情況也會出現(xiàn)?？紤]下面的例子:

class B{};  //non-virtual
class

class D :public B{}; //virtual class

假設(shè)B是一個普通的類，沒有虛擬成員函數(shù)。而D加上了虛擬成員函數(shù)。

因為D引入了vptr指針，而一般的實現(xiàn)都將vptr放在對象的開頭，這就導致經(jīng)由D對象訪問B的成員函數(shù)的時候，仍然需要進行this指針的調(diào)整。

D d；

d.fun_of_b();  //this指針也需要調(diào)整，否則fun_of_b的行為就會異常

4實現(xiàn)

從上面一節(jié)我們可以看到，編譯器要實現(xiàn)成員函數(shù)指針，有幾個問題是繞不過去的：

1）   函數(shù)是不是虛擬函數(shù)，這個涉及到虛函數(shù)表(__vtbl)的訪問。

2）   函數(shù)運行時，需不需要調(diào)整this指針，如何調(diào)整。這個涉及到C++對象的內(nèi)存布局。

事實上，成員函數(shù)指針必須記住這兩個信息。為什么要記住是否為虛函數(shù)就不用解釋了。但是this指針調(diào)整為什么要記住呢？因為在.*和->*運算符求值時必須用到。 考慮上面那個多繼承的例子：

int (D::*pmf)(int) = &B2::foo_of_b2;  //A

D d;                          

(d.*pmf)(0);                     
//B

看看上面的代碼，其實我們在A處知道需要進行this指針調(diào)整，也知道該怎么調(diào)整。但是這時候this還沒出世呢，還不到調(diào)整的時候。到了B處終于有了This指針了，可是又不知道該怎樣調(diào)整了。所以pmf必須記住調(diào)整方式，到了B處調(diào)用的時候，再來進行調(diào)整。

4.1 Microsoft的實現(xiàn)

4.1.1內(nèi)部表示

Microsoft VC的實現(xiàn)采用的是Microsoft一貫使用的Thunk技術(shù)（不知道這個名字怎么來的，不過有趣的是把它反過來拼寫就變成了大牛Knuth的名字，呵呵）。

對于Mircosoft來說，成員函數(shù)指針實際上分兩種，一種需要調(diào)節(jié)this指針，一種不需要調(diào)節(jié)this指針。

先分清楚那些情況下成員函數(shù)指針需要調(diào)整this指針，那些情況下不需要?；貞浬弦还?jié)討論的c++對象內(nèi)存布局的說明，我們可以得出結(jié)論如下：

如果一個類對象obj含有一些子對象subobj，這些子對象的首地址&subobj和對象自己的首地址&obj不等的話，就有可能需要調(diào)整this指針。因為我們有可能把subobj的函數(shù)當成obj自己的函數(shù)來使用。

根據(jù)這個原則，可以知道下列情況不需要調(diào)整this指針：

1） 
繼承樹最頂層的類。

2） 
單繼承，若所有類都不含有虛擬函數(shù)，那么該繼承樹上所有類都不需要調(diào)整this指針。

3） 
單繼承，若最頂層的類含有虛函數(shù)，那么該繼承樹上所有類都不需要調(diào)整this指針。

下列情況可能進行this指針調(diào)整：

1） 
多繼承

2） 
單繼承，最頂?shù)腷ase class不含virtual function，但繼承類含虛函數(shù)。那么這些繼承類可能需要進行this指針調(diào)整。

Microsoft把這兩種情況分得很清楚。所以成員函數(shù)的內(nèi)部表示大致分下面兩種：

      這兩種表示導致成員函數(shù)指針的大小可能不一樣，pmf_type1大小為4，pmf_type2大小為8。有興趣的話可以寫一段代碼測試一下。

4.1.2 Vcall_addr實現(xiàn)

上面兩個結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了vcall_addr,它就是Microsoft的Thunk技術(shù)核心所在。簡單的說，vcall_addr是一個指針，這個指針隱藏了它所指的函數(shù)是虛擬函數(shù)還是普通函數(shù)的區(qū)別。事實上，若它所指的成員函數(shù)是一個普通成員函數(shù)，那么這個地址也就是這個成員函數(shù)的函數(shù)地址。若是虛擬成員函數(shù)，那么這個指針指向一小段代碼，這段代碼會根據(jù)this指針和虛函數(shù)索引值尋找出真正的函數(shù)地址，然后跳轉(zhuǎn)(注意是跳轉(zhuǎn)jmp，而不是函數(shù)調(diào)用call)到真實的函數(shù)地址處執(zhí)行。

看一個例子。

從上面的匯編代碼可以看出vcall_addr的用法。00401030,00401720, 00401730都是vcall_addr的值，其實也就是pmf的值。在調(diào)用的地方，我們不能分別出是不是虛函數(shù)，所看到的都是一個函數(shù)地址。但是在vcall_addr被當成函數(shù)地址調(diào)用后，進入vcall_addr，就有區(qū)別了。00401720,
00401730是兩個虛函數(shù)的vcall，他們都是先根據(jù)this指針，計算出函數(shù)地址，然后jmp到真正的函數(shù)地址。00401030是C::nv_fun1的真實地址。

       Microsoft的這種實現(xiàn)需要對一個類的每個用到了的虛函數(shù)，都分別產(chǎn)生這樣的一段代碼。這就像一個template函數(shù):

      template index>

     void
vcall(void* this)

    {

        jmp this->vptr[index];
//pseudo asm code

    }

每種不同的index都要產(chǎn)生一個實例。

Microsoft就是采用這樣的方式實現(xiàn)了虛成員函數(shù)指針的調(diào)用。

4.1.3 This指針調(diào)整

不過還有一個this調(diào)整的問題，我們還沒有解決。上面的例子為了簡化，我們故意避開了this指針調(diào)整。不過有了上面的基礎(chǔ)，我們再討論this指針調(diào)整就容易了。

首先我們需要構(gòu)造一個需要進行this指針調(diào)整的情況。回憶這節(jié)開頭，我們討論了哪些情況下需要進行this指針調(diào)整。我們用一個單繼承的例子來進行說明。這次我們避開virtual/non-virtual function的問題暫不考慮。

注意這里和上面一個例子的區(qū)別：

在調(diào)用test_this_adjust(pd,
&D::foo)的時候，實際上傳入了3個參數(shù)，調(diào)用相當于

         test_this_adjust(pd, vcall_address_of_foo, delta(=0));

調(diào)用test_this_adjust(pd,
&B::b_fun)的時候，也是3個參數(shù)

         test_this_adjust(pd, vcall_address_of_b_fun, delta(=4));

兩個調(diào)用有個明顯的不同，就是delta的值。這個delta，為我們后來調(diào)整this指針提供了幫助。

再看看test_this_adjust函數(shù)的匯編代碼，和上一個例子的不同，也就是多了一句代碼：

:0040100D   add ecx, eax ; this
= ecx= this+delta

這就是對this指針作必要的調(diào)整。

4.1.4結(jié)論

       Microsoft根據(jù)情況選用下面的結(jié)構(gòu)表示成員函數(shù)指針，使用Thunk技術(shù)（vcall_addr）實現(xiàn)虛擬函數(shù)/非虛擬函數(shù)的自適應，在必要的時候進行this指針調(diào)整(使用delta)。

4.2 GCC的實現(xiàn)

        GCC對于成員函數(shù)指針的實現(xiàn)和Microsoft的方式有很大的不同。

4.2.1內(nèi)部表示

GCC對于成員函數(shù)指針統(tǒng)一使用類似下面的結(jié)構(gòu)進行表示：

4.2.2實現(xiàn)機制

先來看看GCC是如何區(qū)分普通成員函數(shù)和虛擬成員函數(shù)的。

不管是普通成員函數(shù)，還是虛擬成員函數(shù)，信息都記錄在__pfn里面。這里有個小小的技巧。我們知道一般來說因為對齊的關(guān)系，函數(shù)地址都至少是4字節(jié)對齊的。這就意味這一個函數(shù)的地址，最低位兩個bit總是0。（就算沒有這個對齊限制，編譯器也可以這樣實現(xiàn)。） GCC充分利用了這兩個bit。如果是普通的函數(shù)，__pfn記錄該函數(shù)的真實地址，最低位兩個bit就是全0，如果是虛擬成員函數(shù)，最后兩個bit不是0，剩下的30bit就是虛擬成員函數(shù)在函數(shù)表中的索引值。

使用的時候，GCC先取出最低位兩個bit看看是不是0，若是0就拿這個地址直接進行函數(shù)調(diào)用。若不是0，就取出前面30位包含的虛擬函數(shù)索引，通過計算得到真正的函數(shù)地址，再進行函數(shù)調(diào)用。

GCC和Microsoft對這個問題最大的不同就是GCC總是動態(tài)計算出函數(shù)地址，而且每次調(diào)用都要判斷是否為虛擬函數(shù)，開銷自然要比Microsoft的實現(xiàn)要大一些。這也差不多可以算成一種時間換空間的做法。

在this指針調(diào)整方面，GCC和Mircrosoft的做法是一樣的。不過GCC在任何情況下都會帶上__delta這個變量，如果不需要調(diào)整，__delta＝0。

這樣GCC的實現(xiàn)比起Microsoft來說要稍簡單一些。在所有場合其實現(xiàn)方式都是一樣的。而且這樣的實現(xiàn)也帶來多一些靈活性。這一點下面“陷阱”一節(jié)再進行說明。

GCC在不同的平臺其實現(xiàn)細節(jié)可能略有不同，我們來看一個基于Intel平臺的典型實現(xiàn)：

5語言限制與陷阱

      按照C++語言的規(guī)定，對于成員函數(shù)指針的使用，有如下限制：

      不允許繼承類的成員函數(shù)指針賦值給基類成員函數(shù)指針。

      如果我們一定要反其道而行，則存在this指針調(diào)整的陷阱，需要注意。這一節(jié)我們通過兩個例子，說明為什么這樣操作是危險的。

5.1例子

先看一個單繼承的例子。

      上面這個問題，GCC能正確的進行處理。其實錯誤的原因不在于pb=pd指針賦值的時候，編譯器將指針進行了調(diào)整，而在于在test_consistent內(nèi)，成員函數(shù)指針被調(diào)用的時候，應該將this指針再調(diào)整回去！這個問題又是由static_cast的行為不適當引起的。

      static_cast(&D::foo)

這里的static_cast,
是將D的成員函數(shù)指針強制轉(zhuǎn)換為給B的成員函數(shù)指針。因為它是D的函數(shù)，雖然會經(jīng)由B的指針或者對象調(diào)用，但是調(diào)用時this指針應該根據(jù)B的地址調(diào)整成D的首地址。所以經(jīng)過static_cast之后，這個成員函數(shù)指針應該為{__pfn,  __delta= -4 }。（B被包含在D內(nèi)部，所以這里是－4！） GCC正確的執(zhí)行了這個cast，并且每次使用成員函數(shù)指針調(diào)用時都進行this指針調(diào)整， 所以沒有問題。可是Microsoft的實現(xiàn)在這個地方卻無能為力，為什么呢？就算static_cast正確，在test_consistent里面根本就不會進行this指針調(diào)整！ 因為它使用的其實是 struct{void *vcall_address;}這個結(jié)構(gòu)，根本不知道要進行this指針調(diào)整。

Microsoft在這里要做的是將一個struct pmf_type2類型的對象，通過static_cast轉(zhuǎn)換成一個struct pmf_type1的對象。這種轉(zhuǎn)換根本不能成功，因為struct pmf_type1要少一個成員delta.這樣的轉(zhuǎn)換會丟失信息。

當然我們不能怪Microsoft，C++語言本來就規(guī)定了不能這樣用。不過Microsoft可以做得更好一點，至少可以不允許這樣的static_cast。（這樣的用法, VC2005能夠給出一個告警,提示有可能產(chǎn)生不正確的代碼!）

我們可以很簡單的解決這個問題，在上面的代碼中A處，把注釋掉的virtual打開，也可以把B處的virtual注釋掉，使得所有地方都無需進行this調(diào)整，問題也就不再出現(xiàn)了。

這個例子可能有些牽強，我們把上面的代碼稍做修改，再舉一個涉及到多繼承的例子。