C++ 中的虚函数表及虚函数执行原理
为了实现虚函数,C++ 使用了虚函数表来达到延迟绑定的目的。虚函数表在动态/延迟绑定行为中用于查询调用的函数。
尽管要描述清楚虚函数表的机制会多费点口舌,但其实其本身还是比较简单的。
首先,每个包含虚函数的类(或者继承自的类包含了虚函数)都有一个自己的虚函数表。这个表是一个在编译时确定的静态数组。虚函数表包含了指向每个虚函数的函数指针以供类对象调用。
其次,编译器还在基类中定义了一个隐藏指针,我们称为 *__vptr
,*__vptr
是在类实例创建时自动设置的,以指向类的虚函数表。*__vptr
是一个真正的指针,这和 *this
指针不同,*this
指针实际是一个函数参数,使编译器来达到自引用的目的。
结果就是,每个类对象都会多分配一个指针的大小,并且 *__vptr
是被派生类继承的。
如果你不清楚这些组件是怎么配合运作的,看下面的例子:
class Base
{
public:
virtual void function1() {};
virtual void function2() {};
};
class D1: public Base
{
public:
virtual void function1() {};
};
class D2: public Base
{
public:
virtual void function2() {};
};
因为这里有 3 个类,编译器会创建 3 个虚函数表。
然后编译器会在使用了虚函数的最上层基类中定义一个隐藏指针。尽管这个过程编译器会自动处理,但我们还是通过下面的例子来说明指针添加的位置:
class Base
{
public:
FunctionPointer *__vptr;
virtual void function1() {};
virtual void function2() {};
};
class D1: public Base
{
public:
virtual void function1() {};
};
class D2: public Base
{
public:
virtual void function2() {};
};
*__vptr
在类对象创建的时候会设置成指向类的虚函数表。例如,类型 Base
被实例化的时候,*__vptr
就指向 Base
的虚函数表。类型 D1
或者 D2
被实例化的时候,*__vptr
就指向 D1
或者 D2
的虚函数表。
现在我们来看下虚函数表是怎么创建的。因为示例中每个类仅有 2 个虚函数,所以每个虚函数表会存放两个函数指针(分别指向 function1()
和 function2()
)。
Base
对象的虚函数表最简单。Base
对象只能访问 Base
类型的成员,不能访问 D1
或者 D2
的函数。所以 Base
的虚函数表中的两个指针分别指向 Base::function1()
和 Base::function2()
。
D1
的虚函数表稍复杂点,D1
对象能够访问 D1
以及 Base
的成员。D1
重写了 function1()
,但没有重写 function2()
,所以 D1
的虚函数表中的两个指针分别指向 D1::function1()
和 Base::function2()
。
D2
的虚函数表同理 D1
,包含了分别指向 Base::function1()
和 D2::function2()
的指针。
考虑如果创建 D1
对象时会发生什么:
int main()
{
D1 d1;
}
因为 d1
是 D1
类型对象,d1
有它自己的 *__vptr
指向 D1
类型的虚函数表。
现在创建一个 Base
类型指针 *dPtr
指向 d1
:
int main()
{
D1 d1;
Base *dPtr = &d1;
return 0;
}
重点:
因为
dPtr
是Base
类型指针,它只指向d1
对象的Base
类型部分(即,指向d1
对象中的Base
子对象),而*__vptr
也在Base
类型部分。所以dPtr
可以访问Base
类型部分中的*__vptr
。同时,这里注意,dPtr->__vptr
指向的是D1
的虚拟函数表,这是在d1
初始化时就确定的。所以结果,尽管dPtr
是Base
类型指针,但它能够访问D1
的虚函数表。
因此,当有调用 dPtr->function1()
时,发生了什么?
int main()
{
D1 d1;
Base *dPtr = &d1;
dPtr->function1();
return 0;
}
首先,程序识别到 function1()
是一个虚函数。
其次,程序使用 dPtr->__vptr
获取到了 D1
的虚函数表。
然后,它在 D1
的虚函数表中寻找可以调用的 function1()
版本,这里是 D1::function1()
。
因此,dPtr->function1()
实际调用了 D1::function1()
。
通过虚函数表,编译器和程序能够确定调用什么版本的虚函数,尽管使用的是指向/引用基类的指针或者引用。
调用虚函数会比调用非虚函数更慢,有以下几个原因:
- 必须使用
*__vptr
获取正确的虚函数。 - 必须建立虚函数表的索引来获取想要调用的函数。
- 调用找到的函数。
结果就是必须进行三次操作才能完成对函数的调用。但是对于现代计算机系统,这些额外操作增加的时间几乎可以忽略不计。
另外,每个使用虚函数表的类都有 *__vptr
指针,从而每个类对象都会多一个指针的空间。虚函数很强大,但是它确实产生了性能开销。
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