類成員函數的指針

今天在Qt中使用unix函數庫時，需要傳遞一個類的成員函數的指針，遂報錯。。。google之，淺嘗成員函數指針一詞。

原文出處https://kelvinh.github.io/blog/2014/03/27/cpp-tutorial-pointer-to-member-function/，原文内容有一些錯誤，已修正。

關于成員函數指針

成員函數指針是C++最少用到的文法之一，甚至有經驗的C++碼農有時候也會被它搞暈。這是一篇針對于初學者的教程，同時也給有經驗的碼農分享了一些我個人對底層機制的挖掘。在開始之前，讓我們先看一段代碼：

//mem_fun1.cpp
#include <iostream>

class Foo {
public:
    Foo(int i = 0) { _i = i; }
    void f() {
        std::cout << "Foo::f()" << std::endl;
    }
private:
    int _i;
};

int main() {
    Foo *p = 0;
    p->f();
}

// Output:
// Foo::f()

為什麼我們能通過一個空指針調用成員函數？看起來好像編譯器根本不鳥p的值是什麼，隻介意p的類型。别着急，咱先吊吊胃口，把答案留到後面的章節。現在，我們所能知道的是，編譯器準确地知道要調用哪個函數。這就是所謂的“靜态綁定”。因為成員函數可以靜态綁定（并不是總能靜态綁定，待會兒讨論），是以它們的位址是在編譯階段決定的（同樣并不是永遠如此）。直覺地講，應該有一種方法可以儲存成員函數的位址。而且，真有這麼一種方法，那就是——成員函數指針。

C++文法

下面的文法展示了如何聲明一個成員函數指針：

Return_Type (Class_Name::* pointer_name) (Argument_List);

Return_Type:   member function return type.
Class_name:    name of the class in which the member function is declared.
Argument_List: member function argument list.
pointer_name:  a name we'd like to call the pointer variable.

例如，我們定義一個類

Foo

和一個成員函數

：

int Foo::f(string);

我們可以給這個成員函數指針起一個“高大上”的名字

fptr

，是以我們就有了下面的内容：

Return_Type:   int
Class_Name:    Foo
Argument_List: string

declaration of a  pointer-to-member function named "fptr":
  int (Foo::*fptr) (string);

現在，指定一個成員函數給我們“高大上”的

fptr

：

fptr = &Foo::f;

當然，就連腦殘都知道可以将聲明和初始化結合起來：

int (Foo::*fptr) (string) = &Foo::f;

為了通過函數指針來調用成員函數，我們使用成員指針選擇操作符（翻譯君表示也不知道該怎麼翻譯，原文是pointer-to-member selection operators），

.*

或者

->*

。下面的代碼示範了基本用法：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Foo {
public:
    int f(string str) {
        cout << "Foo::f()" << endl;
        return 1;
    }
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    int (Foo::*fptr) (string) = &Foo::f;
    Foo obj;
    (obj.*fptr)("str"); // 通過對象來調用 Foo::f()
    Foo *p = &obj;
    (p->*fptr)("str"); // 通過指針來調用 Foo::f()
}

注意：

.*fptr

綁定fptr到對象obj，而

->*fptr

則綁定fptr到指針p所指向的對象。（還有一個重要的差別是：我們可以重載後者，卻不能重載前者）。在

(obj.*fptr)

和

(p->*fptr)

兩邊的括号是文法所強制要求的。

成員函數指針不是正常指針

成員函數指針不像正常指針那樣儲存某個“準确”的位址。我們可以把它想像成儲存的是成員函數在類布局中的“相對”位址。讓我們來展示一下二者的不同。我們隻對類

Foo

做一個小手術：将成員函數

變成

static

：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Foo {
public:
    static int f(string str) {
        cout << "Foo::f()" << endl;
        return 1;
    }
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    // int (Foo::*fptr) (string) = &Foo::f; // 錯誤
    int (*fptr) (string) = &Foo::f; // 正确
    (*fptr)("str"); // 調用 Foo::f()
}

一個靜态成員函數沒有

this

指針。除了它和其它的類成員共享命名空間Foo（在我們的例子中命名空間是

Foo::

）之外，它和正常全局函數是一樣的。是以，靜态成員函數不是類的一部分，成員函數指針的文法對正常函數指針并不成立，例如上面例子中的靜态成員函數指針。

int (Foo::*fptr) (string) = &Foo::f;

上面這行代碼在g++ 4.2.4中編譯的錯誤資訊為：“不能将

int (*)(std::string)

轉化成

int (Foo::*)(std::string)

”。這個例子證明了成員函數指針不是正常指針。另外，為什麼C++如此費心地去發明這樣的文法？很簡單，因為它和正常指針是不同的東西，而且這樣的類型轉換也是違反直覺的。

C++類型轉換規則

非虛函數情形

我們在前面一節看到，成員函數指針并不是正常指針，是以，成員函數指針（非靜态）不能被轉換成正常指針（當然，如果哪個腦殘真想這麼做的話，可以使用彙編技術來暴力解決），因為成員函數指針代表了偏移量而不是絕對位址。但是，如果是成員函數指針之間互相轉換呢？

//memfunc4.cpp
#include <iostream>

class Foo {
public:
    int f(char *c = 0) {
        std::cout << "Foo::f()" << std::endl;
        return 1;
    }
};

class Bar {
public:
    void b(int i = 0) {
        std::cout << "Bar::b()" << std::endl;
    }
};

class FooDerived : public Foo {
public:
    int f(char *c = 0) {
        std::cout << "FooDerived::f()" << std::endl;
        return 1;
    }
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    typedef int (Foo::*FPTR) (char*);
    typedef void (Bar::*BPTR) (int);
    typedef int (FooDerived::*FDPTR) (char*);

    FPTR fptr = &Foo::f;
    BPTR bptr = &Bar::b;
    FDPTR fdptr = &FooDerived::f;

    // bptr = static_cast<void(Bar::*)(int)>(fptr); // 錯誤
    fptr = static_cast<int(Foo::*)(char*)>(fdptr); // 正确，向上轉型

    Bar obj;
    ( obj.*(BPTR) fptr )(1); // 調用 Foo::f()
}

// Output:
// Foo::f()

在上面的代碼中，首先使用

typedef

。它讓這些繁瑣的定義變得清晰起來。fptr的類型是：

int (Foo::*) (char*);

或者等價地說——FPTR。如果我們仔細看上面的代碼：

bptr = static_cast<void(Bar::*)(int)>(fptr);

這一行會出錯，因為不同的非靜态非虛成員函數具有強類型是以不能互相轉化，但是：

fptr = static_cast<int(Foo::*)(char*)>(fdptr);

這一行卻是正确的！我們可以将一個指向派生類的指針指派給一個指向其基類的指針（即"is-a"關系），這個規則提供了将

FooDerived::*

應用到任何

Foo::*

能被應用的地方的基本保證。在代碼最後兩行：

Bar obj;
( obj.*(BPTR) fptr)(1);

盡管我們想要調用的是

Bar::b()

，但是

Foo::f()

卻被調用了，因為fptr是靜态綁定（翻譯君注：這裡的靜态綁定，即指在編譯階段，fptr的值已經确定了，是以即使進行強制轉換，依然調用的是Foo類的f()函數）。（請圍觀成員函數調用和

this

指針）

虛函數情形

我們隻将前例中的所有成員函數變成虛函數，其它都不動：

#include <iostream>

class Foo {
public:
    virtual int f(char *c = 0) {
        std::cout << "Foo::f()" << std::endl;
        return 1;
    }
};

class Bar {
public:
    virtual void b(int i = 0) {
        std::cout << "Bar::b()" << std::endl;
    }
};

class FooDerived : public Foo {
public:
    int f(char *c = 0) {
        std::cout << "FooDerived::f()" << std::endl;
        return 1;
    }
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    typedef int (Foo::*FPTR) (char*);
    typedef void (Bar::*BPTR) (int);

    FPTR fptr = &Foo::f;
    BPTR bptr = &Bar::b;

    FooDerived objDer;
    (objDer.*fptr)(0); // 調用 FooDerived::f()，而不是 Foo::f()

    Bar obj;
    ( obj.*(BPTR) fptr )(1);// 調用 Bar::b()，而不是 Foo::f()
}

// Output:
// FooDerived::f()
// Bar::b()

如我們所看到的，當成員函數是虛函數的時候，成員函數能夠具有多态性并且現在調用的是

FooDerived::f()

，而且

Bar::b()

也能被正确調用了。因為 “一個指向虛成員的指針能在不同位址空間之間傳遞，隻要二者使用的對象布局一樣” （C++ Bjarne Stroustrup 的《C++程式設計語言》）。當成員函數是虛函數的時候，編譯器會生成虛函數表，來儲存虛函數的位址。隻要成員函數在類中的相對位址一樣，即使是在不同類之間，成員函數指針也能互相轉換。這是和非虛函數之間的最大不同，是以，運作時的行為也是不同的。

成員函數指針數組及其應用

成員函數指針的一個重要應用就是根據輸入來生成響應事件，下面的

Printer

類和指針數組

pfm

展示了這一點：

#include <stdio.h>
#include <string>
#include <iostream>

class Printer { // 一台虛拟的列印機
public:
    void Copy(char *buff, const char *source) { // 複制檔案
        strcpy(buff, source);
    }

    void Append(char *buff, const char *source) { // 追加檔案
        strcat(buff, source);
    }
};

enum OPTIONS { COPY, APPEND }; // 菜單中兩個可供選擇的指令

typedef void(Printer::*PTR) (char*, const char*); // 成員函數指針

void working(OPTIONS option, Printer *machine,
             char *buff, const char *infostr) {
    PTR pmf[2] = { &Printer::Copy, &Printer::Append }; // 指針數組

    switch (option) {
    case COPY:
        (machine->*pmf[COPY])(buff, infostr);
        break;
    case APPEND:
        (machine->*pmf[APPEND])(buff, infostr);
        break;
    }
}

int main() {
    OPTIONS option;
    Printer machine;
    char buff[40];

    working(COPY, &machine, buff, "Strings ");
    working(APPEND, &machine, buff, "are concatenated!");

    std::cout << buff << std::endl;
}

// Output:
// Strings are concatenated!

在上述代碼中，

working

是一個用來執行列印工作的函數，它需要幾個參數：1. 菜單選項；2. 可用的列印機；3. 字元串目的地；4. 字元串來源。上述代碼中字元串來源是兩個字元串常量"Strings "和"concatenated!"，而成員函數指針數組被用來根據菜單選項執行相應的列印動作。

成員函數指針另外一個重要的應用可以在STL的

mem_fun()

中找到。（翻譯君去看了一下

mem_fun()

的源代碼，原來是用成員函數來構造仿函數functor的。）

成員函數調用和 `this` 指針

現在我們回到文章最開始的地方。為什麼一個空指針也能調用成員函數？對于一個非虛函數調用，例如：

p->f()

，編譯器會生成類似如下代碼：

Foo *const this = p;
void Foo::f(Foo *const this) {
    std::cout << "Foo::f()" << std::endl;
}

是以，不管p的值是神馬，函數

Foo::f

都可以被調用，就像一個全局函數一樣！p被作為

this

指針并當作參數傳遞給了函數。而在我們的例子中

this

指針并沒有被解引用，是以，編譯器放了我們一馬（翻譯君表示，這其實跟編譯器沒有關系，即使我們在成員函數中使用this指針，編譯照樣能通過，隻不過在運作時會crash）。假如我們想知道成員變量

_i

的值呢？那麼編譯器就需要解引用

this

指針，這隻有一個結果，那就是我們的好兄弟——未定義行為（undefined behavior）。對于一個虛函數調用，我們需要虛函數表來查找正确的函數，然後，

this

指針被傳遞給這個函數。

這就是非虛函數、虛函數、靜态函數的成員函數指針使用不用實作方式的根本原因。

結論

簡單總結一下，通過上述文章，我們學到了：

成員函數指針聲明和定義的文法
使用成員指針選擇操作符來調用成員函數的文法
使用 typedef 寫出更加清晰的代碼
非虛成員函數、虛函數、靜态成員函數之間的差別
成員函數指針和正常指針的對比
不同情形下的成員函數指針轉換規則
如何使用成員函數指針數組來解決特定的設計問題
編譯器是如何解釋成員函數調用的

我衷心希望這篇教程能打開通往上述要點的相關進階技巧的大門，例如多重繼承、虛繼承下的成員函數指針，以及編譯器的相關實作。。

類成員函數的指針

今天在Qt中使用unix函數庫時，需要傳遞一個類的成員函數的指針，遂報錯。。。google之，淺嘗成員函數指針一詞。

原文出處https://kelvinh.github.io/blog/2014/03/27/cpp-tutorial-pointer-to-member-function/，原文内容有一些錯誤，已修正。

關于成員函數指針

C++文法

成員函數指針不是正常指針

C++類型轉換規則

非虛函數情形

虛函數情形

成員函數指針數組及其應用

成員函數調用和 `this` 指針

結論

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