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“C++的数组不支持多态”?

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   先是在微博上看到了个微博和云风的评论,然后我回了“楼主对C的内存管理不了解”。

   

   后来引发了很多人的讨论,大量的人又借机来黑C++,比如:

   //@Baidu-ThursdayWang:这不就c++弱爆了的地方吗,需要记忆太多东西

   //@编程浪子张发财:这个跟C关系真不大。不过我得验证一下,感觉真的不应该是这样的。如果基类的析构这种情况不能 调用,就太弱了。

   //@程序元:现在看来,当初由于毅力不够而没有深入纠缠c++语言特性的各种犄角旮旯的坑爹细枝末节,实是幸事。为现在还沉浸于这些诡异特性并乐此不疲的同志们感到忧伤。

   然后,也出现了一些乱七八糟的理解:

   //@BA5BO: 数组是基于拷贝的,而多态是基于指针的,派生类赋值给基类数组只是拷贝复制了一个基类新对象,当然不需要派生类析构函数

   //@编程浪子张发财:我突然理解是怎么回事了,这种情况下数组中各元素都是等长结构体,类型必须一致,的确没法多态。这跟C#和java不同。后两者对于引用类型存放的是对象指针。

   等等,看来我必需要写一篇博客以正视听了。

   因为没有看到上下文,我就猜测讨论的可能会是下面这两种情况之一:

1) 一个Base*[]的指针数组中,存放了一堆派生类的指针,这样,你delete [] pBase; 只是把指针数组给删除了,并没有删除指针所指向的对象。这个是最基础的C的问题。你先得for这个指针数组,把数据里的对象都delete掉,然后再删除数组。很明显,这和C++没有什么关系。

2)第二种可能是:Base *pBase = new Derived[n] 这样的情况。这种情况下,delete[] pBase 明显不会调用虚析构函数(当然,这并不一定,我后面会说) ,这就是上面云风回的微博。对此,我觉得如果是这个样子,这个程序员完全没有搞懂C语言中的指针和数组是怎么一回事,也没有搞清楚, 什么是对象,什么是对象的指针和引用,这完全就是C语言没有学好。

   后来,在看到了 @GeniusVczh 的原文 《如何设计一门语言(一)——什么是坑(a)》最后时,才知道了说的是第二种情况。也就是下面的这个示例(我加了虚的析构函数这样方便编译):

class Base
{
  public:
    virtual ~B(){ cout <<"B::~B()"<<endl; }
};
 
class Derived : public Base
{
  public:
    virtual ~D() { cout <<"D::D~()"<<endl; }
};
 
Base* pBase = new Derived[10];
delete[] pBase;

C语言补课

   我先不说这段C++的程序在什么情况下能正确调用派生类的析构函数,我还是先来说说C语言,这样我在后面说这段代码时你就明白了。

   对于上面的:

Base* pBase = new Derived[10];

   这个语言和下面的有什么不同吗?

Derived d[10];
 
Base* pBase = d;

   一个是堆内存动态分配,一个是栈内存静态分配。只是内存的位置和类型不一样,在语法和使用上没有什么不一样的。(如果你把Base 和 Derived想成struct,把new想成malloc() ,你还觉得这和C++有什么关系吗?)

   那么,你觉得pBase这个指针是指向对象的,是对象的引用,还是指向一个数组的,是数组的引用?

   于是乎,你可以想像一下下面的场景:

int *pInt; char* pChar;
 
pInt = (int*)malloc(10*sizeof(int));
 
pChar = (char*)pInt;

   对上面的pInt和pChar指针来说,pInt[3]和pChar[3]所指向的内容是否一样呢?当然不一样,因为int是4个字节,char是1个字节,步长不一样,所以当然不一样。

   那么再回到那个把Derived[]数组的指针转成Base类型的指针pBase,那么pBase[3]是否会指向正确的Derrived[3]呢?

   我们来看个纯C语言的例程,下面有两个结构体,就像继承一样,我还别有用心地加了一个void *vptr,好像虚函数表一样:

struct A {
        void *vptr;
        int i;
    };
 
    struct B{
        void *vptr;
        int i;
        char c;
        int j;
    }b[2] ={
        {(void*)0x01, 100, 'a', -1},
        {(void*)0x02, 200, 'A', -2}
    };

   注意:我用的是G++编译的,在64bits平台上编译的,其中的sizeof(void*)的值是8。

   我们看一下栈上内存分配:

struct A *pa1 = (struct A*)(b);

   用gdb我们可以看到下面的情况:(pa1[1]的成员的值完全乱掉了)

(gdb) p b
$7 = {{vptr = 0x1, i = 100, c = 97 'a', j = -1}, {vptr = 0x2, i = 200, c = 65 'A', j = -2}}
(gdb) p pa1[0]
$8 = {vptr = 0x1, i = 100}
(gdb) p pa1[1]
$9 = {vptr = 0x7fffffffffff, i = 2}

   我们再来看一下堆上的情况:(我们动态了struct B [2],然后转成struct A *,然后对其成员操作)

struct A *pa = (struct A*)malloc(2*sizeof(struct B));
    struct B *pb = (struct B*)pa;
 
    pa[0].vptr = (void*) 0x01;
    pa[1].vptr = (void*) 0x02;
 
    pa[0].i = 100;
    pa[1].i = 200;

   用gdb来查看一下变量,我们可以看到下面的情况:(pa没问题,但是pb[1]的内存乱掉了)

(gdb) p pa[0]
$1 = {vptr = 0x1, i = 100}
(gdb) p pa[1]
$2 = {vptr = 0x2, i = 200}
(gdb) p pb[0]
$3 = {vptr = 0x1, i = 100, c = 0 '\000', j = 2}
(gdb) p pb[1]
$4 = {vptr = 0xc8, i = 0, c = 0 '\000', j = 0}

   可见,这完全就是C语言里乱转型造成了内存的混乱,这和C++一点关系都没有。而且,C++的任何一本书都说过,父类对象和子类对象的转型会带来严重的内存问题。

   但是,如果在64bits平台下,如果把我们的structB改一下,改成如下(把struct B中的int j给注释掉):

struct A {
        void *vptr;
        int i;
    };
 
    struct B{
        void *vptr;
        int i;
        char c;
        //int j; <---注释掉int j
    }b[2] ={
        {(void*)0x01, 100, 'a'},
        {(void*)0x02, 200, 'A'}
    };

   你就会发现,上面的内存混乱的问题都没有了,因为struct A和struct B的size是一样的:

(gdb) p sizeof(struct A)
$6 = 16
(gdb) p sizeof(struct B)
$7 = 16

   注:如果不注释int j,那么sizeof(struct B)的值是24。

   这就是C语言中的内存对齐,内存对齐的原因就是为了更快的存取内存(详见《深入理解C语言》)

   如果内存对齐了,而且struct A中的成员的顺序在struct B中是一样的而且在最前面话,那么就没有问题。

再来看C++的程序

   如果你看过我5年前写的《C++虚函数表解析》以及《C++内存对象布局 上篇下篇》,你就知道C++的标准会把虚函数表的指针放在类实例的最前面,你也就知道为什么我别有用心地在struct A和struct B前加了一个 void *vptr。C++之所以要加在最前面就是为了转型后,不会找不到虚表了。

   好了,到这里,我们再来看C++,看下面的代码:

#include
using namespace std;
 
class B
{
  int b;
  public:
    virtual ~B(){ cout <<"B::~B()"<<endl; }
};
 
class D: public B
{
  int i;
  public:
    virtual ~D() { cout <<"D::~D()"<<endl; }
};
 
int main(void)
{
    cout << "sizeB:" << sizeof(B) << " sizeD:"<< sizeof(D) <<endl;
    B *pb = new D[2];
 
    delete [] pb;
 
    return 0;
}

   上面的代码可以正确执行,包括调用子类的虚函数!因为内存对齐了。在我的64bits的CentOS上——sizeof(B):16 ,sizeof(D):16

   但是,如果你在class D中再加一个int成员的问题,这个程序就Segmentation fault了。因为—— sizeof(B):16 ,sizeof(D):24。pb[1]的虚表找到了一个错误的内存上,内存乱掉了。

   再注:我在Visual Studio 2010上做了一下测试,对于 struct 来说,其表现和gcc的是一样的,但对于class的代码来说,其可以“正确调用到虚函数”无论父类和子类有没有一样的size。

   然而,在C++的标准中,下面这样的用法是undefined! 你可以看看StackOverflow上的相关问题讨论:《Why is it undefined behavior to delete[] an array of derived objects via a base pointer?》(同样,你也可以看看《More Effective C++》中的条款三)

Base* pBase = new Derived[10];
 
delete[] pBase;

   所以,微软C++编程译器define这个事相当的奇葩,这让我非常不解,对微软的C++编译器再度失望,而这让好多人把这种undefined的东西当成defined来用,还赞扬做得好,真是令人无语

   现在,你终于知道Base* pBase = new Derived[10];这个问题是C语言的转型的问题,你也应该知道用于数组的指针是怎么回事了吧。

   最后,我越来越发现,很多说C++难用的人,其实是不懂C语言

   (全文完)


建议继续学习:

  1. 为什么数组标号是从0开始的?    (阅读:4952)
  2. C语言结构体里的成员数组和指针    (阅读:4861)
  3. 将数组定义为常量    (阅读:4569)
  4. Tips of Linux C programming    (阅读:3977)
  5. xml转数组的方法    (阅读:3500)
  6. PHP面向对象编程的三大特性    (阅读:3366)
  7. javascript扩展Array(数组)类    (阅读:3241)
  8. 动态数组的 C 实现    (阅读:3116)
  9. php数组排序    (阅读:3017)
  10. javascript数组排序的问题    (阅读:2957)
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