C++之虚函数表
本文引自:http://songlee24.github.io/blog/2014/09/02/c-plus-plus-jin-jie-zhi-xu-han-shu-biao/
C++通过继承(inheritance)和虚函数(virtual function)来实现多态性。所谓多态,简单地说就是,将基类的指针或引用绑定到子类的实例,然后通过基类的指针或引用调用实际子类的成员函数(虚函数)。本文将介绍单继承、多重继承下虚函数的实现机制。
一、虚函数表
为了支持虚函数机制,编译器为每一个拥有虚函数的类的实例创建了一个虚函数表(virtual table),这个表中有许多的槽(slot),每个槽中存放的是虚函数的地址。虚函数表解决了继承、覆盖、添加虚函数的问题,保证其真实反应实际的函数。
为了能够找到 virtual table,编译器在每个拥有虚函数的类的实例中插入了一个成员指针 vptr,指向虚函数表。下面是一个例子:
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上面定义了一个Base类,其中有三个虚函数。我们将Base类对象取址 &b 并强制转换为 int*,取得虚函数表的地址。然后对虚函数表的地址取值 *vptr 并强转为 int*,即取得第一个虚函数的地址了。将第一个虚函数的地址加1,取得第二个虚函数的地址,再加1即取得第三个虚函数的地址。
注意,之所以可以通过对象实例的地址得到虚函数表,是因为 vptr 指针位于对象实例的最前面(这是由编译器决定的,主要是为了保证取到虚函数表有最高的性能——如果有多层继承或是多重继承的情况下)。如图所示:
在VS2012中加断点进行Debug可以查看到虚函数表:
二、单继承时的虚函数表
1、无虚函数覆盖
假如现有单继承关系如下:
|
在这个单继承的关系中,子类没有重写父类的任何方法,而是加入了三个新的虚函数。Derive类实例的虚函数表布局如图示:
- Derive class 继承了 Base class 中的三个虚函数,准确的说,是该函数实体的地址被拷贝到 Derive 实例的虚函数表对应的 slot 之中。
- 新增的 虚函数 置于虚函数表的后面,并按声明顺序存放。
2、有虚函数覆盖
如果在继承关系中,子类重写了父类的虚函数:
|
则Derive类实例的虚函数表布局为:
相比于无覆盖的情况,只是把 Derive::x()
覆盖了Base::x()
,即第一个槽的函数地址发生了变化,其他的没有变化。
这时,如果通过绑定了子类对象的基类指针调用函数 x(),会执行 Derive 版本的 x(),这就是多态。
三、多重继承时的虚函数表
1、无虚函数覆盖
现有如下的多重继承关系,子类没有覆盖父类的虚函数:
|
对于 Derive 实例 d 的虚函数表布局,如下图:
可以看出:
- 每个基类子对象对应一个虚函数表。
- 派生类中新增的虚函数放到第一个虚函数表的后面。
测试代码(VS2012):
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不同的编译器对 virtual table 的实现不同,经测试,在 g++ 中需要这样:
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2、有虚函数覆盖
将上面的多重继承关系稍作修改,让子类重写基类的 x() 函数:
|
这时 Derive 实例的虚函数表布局会变成下面这个样子:
相比于无覆盖的情况,只是将Derive::x()
覆盖了Base1::x()
和Base2::x()
而已,你可以自己写测试代码测试一下,这里就不再赘述了。
注:若虚函数是 private 或 protected 的,我们照样可以通过访问虚函数表来访问这些虚函数,即上面的测试代码一样能运行。
附:编译器对指针的调整
在多重继承下,我们可以将子类实例绑定到任一父类的指针(或引用)上。以上述有覆盖的多重继承关系为例:
2 |
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- 因为 Base1 是第一个基类,所以 ptr1 指向的是 Derive 对象的起始地址,不需要调整指针(偏移)。
- 因为 Base2 是第二个基类,所以必须对指针进行调整,即加上一个 offset,让 ptr2 指向 Base2 子对象。
- 当然,上述过程是由编译器完成的。
当然,你可以在VS2012里通过Debug看出 ptr1 和 ptr2 是不同的,我们可以这样子:
|
其实,通过某个类型的指针访问某个成员时,编译器只是根据类型的定义查找这个成员所在偏移量,用这个偏移量获取成员。由于 ptr2 本来就指向 Base2 子对象的起始地址,所以b1->y()
调用到的是Base2::y()
,而 ptr1 本来就指向 Base1 子对象的起始地址(即 Derive对象的起始地址),所以b2->y()
调用到的是Base1::y()
。
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