實例解析C++中類的成員函數(shù)指針
C語言的指針相當?shù)撵`活方便，但也相當容易出錯。許多C語言初學者，甚至C語言老鳥都很容易栽倒在C語言的指針下。但不可否認的是，指針在C語言中的位置極其重要，也許可以偏激一點的來說：沒有指針的C程序不是真正的C程序。
然而C++的指針卻常常給我一種束手束腳的感覺。C++比C語言有更嚴格的靜態(tài)類型，更加強調(diào)類型安全，強調(diào)編譯時檢查。因此，對于C語言中最容易錯用的指針，更是不能放過：C++的指針被分成數(shù)據(jù)指針，數(shù)據(jù)成員指針，函數(shù)指針，成員函數(shù)指針，而且不能隨便相互轉(zhuǎn)換。而且這些指針的聲明格式都不一樣：
| 數(shù)據(jù)指針 | T * |
| 成員數(shù)據(jù)指針 | T::* |
| 函數(shù)指針 | R (*)(...) |
| 成員函數(shù)指針 | R (T::*)(...) |
還有一個更重要的區(qū)別是，指針所占的空間也不一樣了。即使在32位系統(tǒng)中，所占的空間也有可能是4字節(jié)、8字節(jié)、12字節(jié)甚至16字節(jié)，這個依據(jù)平臺及編譯器，有很大的變化。
盡管C++中仍然有萬能指針void*，但它卻屬于被批斗的對象，而且再也不能“萬能”了。它不能轉(zhuǎn)換成成員指針。
這樣一來，C++的指針就變得很尷尬：我們需要一種指針能夠指向同一類型的數(shù)據(jù)，不管這個數(shù)據(jù)是普通數(shù)據(jù)，還是成員數(shù)據(jù)；我們更需要一種指針能夠指向同一類型的函數(shù)，不管這個函數(shù)是靜態(tài)函數(shù)，還是成員函數(shù)。但是沒有，至少從現(xiàn)在的C++標準中，還沒有看到。
在編程工作中常會遇到在一個“類”中通過函數(shù)指針調(diào)用成員函數(shù)的要求，如，當在一個類中使用了C++標準庫中的排序函數(shù)qsort時，因qsort參數(shù)需要一個“比較函數(shù)”指針，如果這個“類”使用某個成員函數(shù)作“比較函數(shù)”，就需要將這個成員函數(shù)的指針傳給qsort供其調(diào)用。本文所討論的用指針調(diào)用 “類”的成員函數(shù)包括以下三種情況：
（1）．將 “類”的成員函數(shù)指針賦予同類型非成員函數(shù)指針，如：
例子1
#include <stdlib.h>
typedef void (*Function1)( ); //定義一個函數(shù)指針類型。
Function1 f1;
class Test1
{
public:
//…被調(diào)用的成員函數(shù)。
void Memberfun1( ){ printf("%s \n","Calling Test3::Memberfun2 OK");}; //
void Memberfun2()
{
f1=reinterpret_cast<Function1>(Memberfun1);//將成員函數(shù)指針賦予f1。編譯出錯。
f1();
}
//…
};
int main()
{
Test1 t1;
t1.Memberfun2();
return 0;
}
（2） 在一個“類”內(nèi)，有標準庫函數(shù)，如qsort， 或其他全局函數(shù)，用函數(shù)指針調(diào)用類的成員函數(shù)。如：
例子2：
#include <stdlib.h>
class Test2
{
private:
int data[2];
//…
public:
//…
int __cdecl Compare(const void* elem1, const void* elem2) //成員函數(shù)。
{
printf("%s \n","Calling Test2::Memberfun OK");
return *((int*)elem1)- *((int*)elem2) ;
}
void Memberfun()
{
data[0]=2; data[1]=5;
qsort( data, 2, sizeof(int), Compare); //標準庫函數(shù)調(diào)用成
//員函數(shù)。編譯出錯。
}
//…
};
int main( )
{
Test2 t2;
t2.Memberfun(); //調(diào)用成員函數(shù)。
return 0;
}
（3）同一個“類”內(nèi)，一個成員函數(shù)調(diào)用另一個成員函數(shù)， 如：
例子3：
#include "stdlib.h"
class Test3
{
public:
//…
void Memberfun1( void (* f2)( ) ) { f2( ) ;} //成員函數(shù)1調(diào)用成員函數(shù)//2。
void Memberfun2( ) { printf("%s \n","Calling Test3::Memberfun2 OK");} //成員函數(shù)2。
void Memberfun3( ) { Memberfun1( Memberfun2);} // 編譯出錯
//…
};
int main( )
{
Test3 t3;
t3.Memberfun3(); //調(diào)用成員函數(shù)。
return 0;
}
以上三種情況的代碼語法上沒有顯著的錯誤，在一些較早的編譯環(huán)境中，如，VC++ 4.0， 通?？梢跃幾g通過，或至多給出問題提醒（Warning）。后來的編譯工具，如，VC++6.0和其他一些常用的C++編譯軟件，不能通過以上代碼的編譯， 并指出錯誤如下(以第三種情況用VC++ 6.0編譯為例)：
error C2664: 'Memberfun1' : cannot convert parameter 1 from 'void (void)' to 'void (__cdecl *)(void)' None of the functions with this name in scope match the target type
即：Memberfun1參數(shù)中所調(diào)用的函數(shù)類型不對。
按照以上提示，僅通過改變函數(shù)的類型無法消除錯誤，但是，如果單將這幾個函數(shù)從類的定義中拿出來，不作任何改變就可以消除錯誤通過編譯， 仍以第三種情況為例，以下代碼可通過編譯:
#include <stdlib.h>
void Memberfun1( void (* f2)( ) ) { f2( ) ;} //原成員函數(shù)1調(diào)用成員函數(shù)//2。
void Memberfun2( ) { printf("%s \n","Calling Test3::Memberfun2 OK");} //原成員函數(shù)2。
void Memberfun3( ) { Memberfun1( Memberfun2);}
int main( )
{
Memberfun3 ();
return 0;
}
第1、 2種情況和第3種情況完全相同。
由此可以的得出結(jié)論，以上三種情況編譯不能通過的原因表面上并不在于函數(shù)類型調(diào)用不對，而是與 “類”有關。沒通過編譯的情況是用函數(shù)指針調(diào)用了 “類”的成員函數(shù)，通過編譯的是用函數(shù)指針調(diào)用了非成員函數(shù)，而函數(shù)的類型完全相同。那么， “類”的成員函數(shù)指針和非成員函數(shù)指針有什么不同嗎？
在下面的程序中，用sizeof()函數(shù)可以查看各種“類”的成員函數(shù)指針和非成員函數(shù)指針的長度（size）并輸出到屏幕上。
#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include <typeinfo.h>
class Test; //一個未定義的類。
class Test2 //一個空類。
{
};
class Test3 //一個有定義的類。
{
public:
//...
void (* memberfun)();
void Memberfun1( void (* f2)( ) ) { f2( ) ;} //成員函數(shù)1調(diào)用成員函數(shù)//2。
void Memberfun2( );//成員函數(shù)2。
//…
};
class Test4: virtual Test3 ,Test2 //一個有virtual繼承的類（derivative class）。
{
public:
void Memberfun1( void (* f2)( ) ) { f2( ) ;}
};
class Test5: Test3,Test2 //一個繼承類（derivative class）。
{
public:
void Memberfun1( void (* f2)( ) ) { f2( ) ;}
};
int main()
{
std::cout <<"一般函數(shù)指針長度= "<< sizeof(void(*)()) << '\n';
std::cout <<"-類的成員函數(shù)指針長度-"<<'\n'<<'\n';
std::cout <<"Test3類成員函數(shù)指針長度="<< sizeof(void(Test3::*)())<<'\n'<<'\n';
std::cout <<"Test5類成員函數(shù)指針長度="<<sizeof(void (Test5:: *)())<<'\n';
std::cout <<"Test4類成員函數(shù)指針長度="<<sizeof(void (Test4:: *)())<<'\n';
std::cout <<"Test類成員函數(shù)指針長度="<<sizeof(void(Test::*)()) <<'\n';
return 0;
}
輸出結(jié)果為（VC++6.0編譯，運行于Win98操作系統(tǒng)，其他操作系統(tǒng)可能有所不同）：
- 一般非成員函數(shù)指針長度= 4
- -類的成員函數(shù)指針長度-
- Test3類成員函數(shù)指針長度=4
- Test5類成員函數(shù)指針長度=8
- Test4類成員函數(shù)指針長度=12
- Test類成員函數(shù)指針長度=16
以上結(jié)果表明，在32位Win98操作系統(tǒng)中，一般函數(shù)指針的長度為4個字節(jié)（32位），而類的成員函數(shù)指針的長度隨類的定義與否、類的繼承種類和關系而變，從無繼承關系類（Test3）的4字節(jié)（32位）到有虛繼承關系類（Virtual Inheritance）（Test4）的12字節(jié)（96位），僅有說明(declaration)沒有定義的類（Test）因為與其有關的一些信息不明確成員函數(shù)指針最長為16字節(jié)（128位）。顯然， 與一般函數(shù)指針不同，指向“類”的成員函數(shù)的指針不僅包含成員函數(shù)地址的信息，而且包含與類的屬性有關的信息，因此，一般函數(shù)指針和類的成員函數(shù)指針是根本不同的兩種類型，當然，也就不能用一般函數(shù)指針直接調(diào)用類的成員函數(shù)，這就是為什么本文開始提到的三種情況編譯出錯的原因。盡管使用較早版本的編譯軟件編譯仍然可以通過，但這會給程序留下嚴重的隱患。
至于為什么同樣是指向類的成員函數(shù)的指針，其長度竟然不同，從32位到128位，差別很大，由于沒有看到微軟官方的資料只能推測VC++6.0在編譯時對類的成員函數(shù)指針進行了優(yōu)化，以盡量縮短指針長度，畢竟使用128位或96位指針在32位操作系統(tǒng)上對程序性能會有影響。但是，無論如何優(yōu)化，類的成員函數(shù)指針包含一定量的對象（Objects）信息是確定的。其他的操作系統(tǒng)和編譯軟件是否進行了類似的處理，讀者可以用以上程序自己驗證。
那么，當需要時，如何用指針調(diào)用類的成員函數(shù)？可以考慮以下方法：
（1） 將需要調(diào)用的成員函數(shù)設為static 類型，如：在前述例子2中，將class Test2 成員函數(shù)Compare 定義前加上static 如下：
class Test2
{
//….
int static __cdecl Compare(const void* elem1, const void* elem2) //成員函數(shù)。
//其他不變
}
改變后的代碼編譯順利通過。原因是，static 類型的成員函數(shù)與類是分開的，其函數(shù)指針也不包含對象信息，與一般函數(shù)指針一致。這種方法雖然簡便，但有兩個缺點：1、被調(diào)用的函數(shù)成員定義內(nèi)不能出現(xiàn)任何類的成員（包括變量和函數(shù)）；2、由于使用了static 成員，類在被繼承時受到了限制。
（2） 使用一個函數(shù)參數(shù)含有對象信息的static 類型的成員函數(shù)為中轉(zhuǎn)間接地調(diào)用其他成員函數(shù)，以例3為例，將類Test3作如下修改，main（）函數(shù)不變，則可順利通過編譯：
class Test3
{
public:
//…
void static __cdecl Helper(Test3* test3)
{
test3->Memberfun2();
}
void Memberfun1( void (* f2)(Test3*)) { f2(this) ;} //將對象信息傳給Helper函數(shù)。
void Memberfun2( ) {printf("%s \n","Calling Test3::Memberfun2 OK"); } //成員函數(shù)2。
void Memberfun3( ) { Memberfun1( Helper);}
//…
};
這種間接方式對成員函數(shù)沒有任何限制，克服了第一種方法成員函數(shù)不能使用任何類的成員的缺點，但由于有static 成員，類的繼承仍受到制約。
（3）使用一個全程函數(shù)（global function）為中轉(zhuǎn)間接調(diào)用類的成員函數(shù)，仍以例3為例，將代碼作如下修改（VC++6.0編譯通過）：
class Test3;
void __cdecl Helper(Test3* test3);
class Test3
{
public:
//…
void Memberfun1( void (* f2)(Test3*)) { f2(this) ;} //成員函數(shù)1調(diào)用成員函數(shù)//2。
void Memberfun2( ) {printf("%s \n","Calling Test3::Memberfun2 OK"); } //成員函數(shù)2。
void Memberfun3( ) { Memberfun1( Helper);}
//…
};
void __cdecl Helper(Test3* test3)
{
test3->Memberfun2();
};
這個方法對成員函數(shù)沒有任何要求，但是需要較多的代碼。
除上述三種方法外還有其他方法，如， 可以在匯編層面上修改代碼解決上述問題等，不屬于本文范圍。
結(jié)論：函數(shù)指針不能直接調(diào)用類的成員函數(shù)，需采取間接的方法，原因是成員函數(shù)指針與一般函數(shù)指針有根本的不同，成員函數(shù)指針除包含地址信息外，同時攜帶其所屬對象信息。本文提供三種辦法用于間接調(diào)用成員函數(shù)。這三種辦法各有優(yōu)缺點，適用于不同的場合。
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