C++ 虚函数的内部实现
C++ 虚函数的内部实现
虚函数看起来是个玄之又玄的东西,但其实特别简单!了解了虚函数的内部实现,关于虚函数的各种问题都不在话下啦!
1. 知识储备
阅读这篇文章,你需要事先了解以下几个概念:
什么是继承?
什么是虚函数?
在C++中,在基类的成员函数声明前加上关键字
virtual
即可让该函数成为 虚函数,派生类中对此函数的不同实现都会继承这一修饰符。为什么需要虚函数?
- 进程的内存分布
如果你已经完全了解上述概念,那么这篇文章很适合你去深入了解虚函数~
2. C++中类的memory Layout
为了更好地理解虚函数的内部实现,我们首先需要知道,C++的类中成员函数和成员变量在内存中的空间分配。
1. 我们从最普通的一个类说起~
class X {
int x;
float xx;
static int count;
public:
X() {}
~X() {}
void printInt() {}
void printFloat() {}
static void printCount() {}
};
如果我们在这个程序中定义了这个类的一个对象,那么这个类的内存分布如下图所示:
类的非静态成员变量会被保存在栈上,类的静态成员变量被保存在数据段,而类的成员函数被保存在代码段。
class X { |
|
2. 含有虚函数的基类的内存分布
如果一个类中含有虚函数,那么为了实现动态绑定,编译器会在原来的代码中插入(augment)一个新的成员变量--一个成员指针 vptr
, 这个指针指向一张包含所有虚函数的函数指针表 vtable
. 当我们调用虚函数时,实际上是通过vptr
这个指针来调用函数指针表vtable
里面的某个函数指针来实现函数调用。
一般而言,这张vtable
会在数据段,是静态的,每一个类仅有一张表。但是这不是死规定,这是由编译器的实现决定的。vptr
这个指针和成员变量一致,存在在堆栈段,是每一个对象都会有的。
vtable
中的第一个entry包含了当前类及其基类的相关信息,其余entry是函数指针。
现在来看一个例子~
class X { |
|
3. 含有虚函数的子类的内存分布
此时,基类的成员变量和成员函数相当于派生类的子对象,也就是说派生类会继承基类的vptr
。这时会先为基类的成员函数和成员对象分配内存空间,然后再为派生类的自己的成员变量和成员函数分配空间。vptr
会指向Y这个类的vtable
如果派生类写了一个不在基类里的新的虚函数,那么这个vtable
会多出一行,行内的内容是指向这个新虚函数的函数指针。
class X { class Y : public X { |
|
4. 含有虚函数、有多继承的子类的内存分布
有多个基类的派生类会有多个vptr
, 用来指向继承自不同基类的vtable
。也就是说,每一个有虚函数的基类都会有一个虚函数指针表。
我们来看一个Z类继承自X类和Y类的例子。
class X { class Y { class Z : public X, public Y { |
|
3. 虚函数的内部实现
了解了虚函数在内存中的分配方式后,理解虚函数的实现以及动态绑定就变得非常简单了。
这里以多继承的子类的代码为例,上代码~
class X {
public:
int x;
virtual ~X() {}
virtual void printX() { cout<<"printX() in X"<<endl; }
};
class Y {
public:
int y;
virtual ~Y() {}
virtual void printY() { cout<<"printY() in Y"<<endl; }
};
class Z : public X, public Y {
public:
int z;
~Z() {}
void printX() { cout<<"printX() in Z"<<endl; }
void printY() { cout<<"printY() in Z"<<endl; }
void printZ() { cout<<"printZ() in Z"<<endl; }
};
int main(){
Y *y_ptr = new Z();
y_ptr->printY(); // OK
y_ptr->printZ(); // Not OK, Y类的虚函数表中没有printZ()函数
y_ptr->y = 3; // OK
y_ptr->z = 3;// not OK, Y类的空间中没有变量z
}
所以在上述代码中,y_ptr
指向的是在Z类对象中的子对象,即Y类对象在Z类中函数与变量。
注意️ 此时y_ptr
中的_vptr
指向的是Z类对象的vtable
而y_ptr->printY()
这行代码,其实会被编译器翻译成如下伪代码
((y_ptr->_vptr)->_vtbl[2])();
其中y_ptr->_vptr
指向Y类对象的vptr
指针,vptr
指针再指向虚函数表中对应的函数指针项,即((y_ptr->_vptr)->_vtbl[2])
, 最后通过函数指针来实现函数调用。
由于这个_vptr
指向的是Z类对象的虚函数表,所以调用的printY()
函数实际上是Z类中实现的printY()
,即输出"printY() in Z"
。 动态绑定就这样实现了。
4. 用几个问题加深理解
沿用3中的例子,我们来看接下来的几个问题。
Q1. 如果将Z类对象赋值给Y类变量,动态绑定还会发生吗?
即如下代码中,输出是"printY() in Z"
还是"printY() in Y"
?
Z zz;
Y yy = zz;
yy.printY();
答案是不会发生,输出的结果是"printY() in Y"
。
首先我们需要明确一个很重要的概念,对_vptr
这个指针的赋值操作是在构造类对象的过程中发生的。换一句话说,当一个类的实例被创建的时候_vptr
被赋值,指向该类的vtable
。一旦类的实例被创建,一个类对象里面的_vptr
永远不会变,永远都会指向所属类型的虚函数表。
不论是赋值操作还是赋值构造时, 只会处理成员变量,即把zz中的成员变量赋值给yy, 但是_vptr
还是指向Y类的虚函数表。
Q2. 如果在基类中不声明某个函数是虚函数,在子类中重写了这个函数,动态绑定还会发生吗?
即如下代码中,输出是"printX() in Z"
还是"printX() in X"
?
class X {
public:
int x;
virtual ~X() {}
void printX() { cout<<"printX() in X"<<endl; }
};
class Z : public X {
public:
int z;
~Z() {}
void printX() { cout<<"printX() in Z"<<endl; }
void printZ() { cout<<"printZ() in Z"<<endl; }
};
int main(){
X *x_ptr = new Z();
x_ptr->printX(); // OK
}
答案是不会发生,输出的结果是"printX() in X"
。没有声明为虚函数的函数,不会被放入虚函数表中,即vtable
不会保存该函数的函数指针。这时,动态绑定肯定不会发生了。
5. 总结
- 一般而言,虚函数表是属于一个类的(one vtable per class), 位于静态数据区,而虚函数表指针
_vptr
是属于一个类的对象的(one vptr per object). - 一个由多继承关系的类会有多个虚函数指针。
- 虚函数指针的赋值操作是在构造类对象的过程中发生的,之后的赋值操作不会改变
vptr
的值 - C++标准没有定义动态绑定的具体实现方式,只是陈述了动态绑定的行为。具体的实现与编译器相关。
以上为个人学习总结,如有错误欢迎指出!
这篇博文参考了如下文章:
http://www.vishalchovatiya.com/memory-layout-of-cpp-object/
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