《自己动手写 Python 虚拟机》_更理解虚拟机的意义_2.4.3 访问者模式

【摘要】 本书摘自《自己动手写 Python 虚拟机》一书中第2章，第4节，海纳编著。

2.4.3 访问者模式

在面向对象程序设计中，经常会遇到有相同模式的问题。后来人们把相似的问 题归纳总结，提出了一整套解决方案，这个解决方案就是设计模式。充分利用设计模 式，会极大地提高程序的可读性和可维护性。在编译器设计领域，也会使用很多经典 的设计模式。但对于本书里的内容，最重要的两个设计模式是访问者模式和单例 模式。

访问者模式用于访问抽象语法树是非常合适的，另外一个非常适用的地方是自 动内存管理。由于本书选择了使用C++ 来实现 Python 虚拟机，因此这里就选择使 用C++ 来讲解访问者模式。在学习访问者模式的同时，也复习一下C++ 的对象内 存模型，因为这将决定如何实现虚拟机中的类、对象以及内存管理。

1. 静态类型

这个程序的运行结果是，输出三个“emm …” 。 这个结果可能会出乎部分读者 的意料。因为d、c、f分别指向的实例是 Dog 、Cat 和Fox, 但是当 Speaker 调用它们 的 speak 方法时，却调用了Animal 类的方法。这是因为d、c、f 虽然在运行中各指向

不同的对象，但它们的静态类型却都是“Animal*” 。 而 C++ 在编译期就会决定静态类型变量的方法调用，这种绑定方法的方式叫静态绑定。

2. 动态类型

有什么办法可以让程序根据运行时的动态类型，来调用相应类型的 speak 方 法呢?

答案就是关键字 virtual, 也就是C++ 的虚函数机制。为父类中的 speak 方法添 加 virtual, 将其变为虚函数，试着运行一下观察结果。代码如下：

只修改父类，子类完全不修改，编译执行，可以看到这一次的结果是 wang,mi- ao,woo 。 可见，通过把父类中的 speak 方法定义为虚函数即可使得程序在运行时， 根据对象的实际类型分别调用不同的方法。那么,虚函数的机制到底是怎么实现的 呢?这里有一个更直接的例子

第20行代码的运行结果是100。而sizeof(Base) 的结果是8,sizeof(Derive) 的结 果是12。类定义中出现了虚函数，类的大小就增加了4,这是因为类对象中多了一个 被称为虚函数表指针的内容。为什么要加这个指针呢?原因在于，对于虚函数，编译 器无法像对待普通成员函数那样，在编译阶段通过指针的类型就能判断调用的是 Base::func 还是 Derive::func 。 对虚函数的调用，必须通过该指针所指向的对象是 Base 类的对象，还是 Derive 类的对象来确定。如果指针 pBase 所指的对象是 Base 的实例，那么 pBase>func 就是 Base::func, 而如果指针 pBase 所指的对象是 Derive 的实例，那么 pBase→func 就是 Derive::func。

如果 Base 还有其他子类，pBase 同样可以指向这些子类的实例而不发生编译错 误。可以看出，让编译器在编译阶段就确定调用哪个函数是不可能的；只能在程序运 行的时候，动态地确定要调用的是哪个函数。C++ 提供了一种叫做虚函数表的机制 来解决这个问题。

如图2.10所示，如果一个类的定义中包含了虚函数，那么这个类的对象就会多 一个指针项。为了查找的效率，这个指针项会出现在对象的开始部分，这个指针被称 为虚表指针。虚表指针指向一个表，这个表就是虚表(Virtual Table)。虚表里的每 一项也是一个指针，更准确地说，是指向函数的指针，分别指向实际应该调用的函数。

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