C++进阶之虚函数表

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：

class Base
{
public:
	virtual void x() { cout << "Base::x()" << endl; }
	virtual void y() { cout << "Base::y()" << endl; }
	virtual void z() { cout << "Base::z()" << endl; }
};
 
typedef void(*pFun)(void);
 
int main()
{
	Base b;
	int* vptr = (int*)&b;                     // 虚函数表地址
 
	pFun func1 = (pFun)*((int*)*vptr);        // 第一个函数
	pFun func2 = (pFun)*((int*)*vptr+1);      // 第二个函数
	pFun func3 = (pFun)*((int*)*vptr+2);      // 第三个函数
 
	func1();     // 输出Base::x()
	func2();     // 输出Base::y()
	func3();     // 输出Base::z()
	return 0;
}

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：

class Base
{
public:
	virtual void x() { cout << "Base::x()" << endl; }
	virtual void y() { cout << "Base::y()" << endl; }
	virtual void z() { cout << "Base::z()" << endl; }
};
 
class Derive : public Base
{
public:
	virtual void x1() { cout << "Derive::x1()" << endl; }
	virtual void y1() { cout << "Derive::y1()" << endl; }
	virtual void z1() { cout << "Derive::z1()" << endl; }
};

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：

class Base
{
public:
	virtual void x() { cout << "Base::x()" << endl; }
	virtual void y() { cout << "Base::y()" << endl; }
	virtual void z() { cout << "Base::z()" << endl; }
};
 
class Derive : public Base
{
public:
	virtual void x() { cout << "Derive::x()" << endl; }  // 重写
	virtual void y1() { cout << "Derive::y1()" << endl; }
	virtual void z1() { cout << "Derive::z1()" << endl; }
};

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：

class Base1
{
public:
	virtual void x() { cout << "Base1::x()" << endl; }
	virtual void y() { cout << "Base1::y()" << endl; }
	virtual void z() { cout << "Base1::z()" << endl; }
};
 
class Base2
{
public:
	virtual void x() { cout << "Base2::x()" << endl; }
	virtual void y() { cout << "Base2::y()" << endl; }
	virtual void z() { cout << "Base2::z()" << endl; }
};
 
class Derive : public Base1, public Base2
{
public:
	virtual void x1() { cout << "Derive::x1()" << endl; }
	virtual void y1() { cout << "Derive::y1()" << endl; }
};

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）：

typedef void(*pFun)(void);
 
int main()
{
	Derive b;
	int** vptr = (int**)&b;                     // 虚函数表地址
 
	// virtual table 1
	pFun table1_func1 = (pFun)*((int*)*vptr+0);         // vptr[0][0]
	pFun table1_func2 = (pFun)*((int*)*vptr+1);         // vptr[0][1]
	pFun table1_func3 = (pFun)*((int*)*vptr+2);         // vptr[0][2]
	pFun table1_func4 = (pFun)*((int*)*vptr+3);         // vptr[0][3]
	pFun table1_func5 = (pFun)*((int*)*vptr+4);         // vptr[0][4]
 
	// virtual table 2
	pFun table2_func1 = (pFun)*((int*)*(vptr+1)+0);     // vptr[1][0]
	pFun table2_func2 = (pFun)*((int*)*(vptr+1)+1);     // vptr[1][1]
	pFun table2_func3 = (pFun)*((int*)*(vptr+1)+2);     // vptr[1][2]
 
	// call
	table1_func1();
	table1_func2();
	table1_func3();
	table1_func4();
	table1_func5();
 
	table2_func1();
	table2_func2();
	table2_func3();
	return 0;
}

不同编译器对 virtual table 的实现不同，经测试，在 g++ 中需要这样：

// virtual table 1
pFun table1_func1 = (pFun)*((int*)*vptr+0);         // vptr[0][0]
pFun table1_func2 = (pFun)*((int*)*vptr+2);         // vptr[0][2]
pFun table1_func3 = (pFun)*((int*)*vptr+4);         // vptr[0][4]
pFun table1_func4 = (pFun)*((int*)*vptr+6);         // vptr[0][6]
pFun table1_func5 = (pFun)*((int*)*vptr+8);         // vptr[0][8]
 
// virtual table 2
pFun table2_func1 = (pFun)*((int*)*(vptr+1)+0);     // vptr[1][0]
pFun table2_func2 = (pFun)*((int*)*(vptr+1)+2);     // vptr[1][2]
pFun table2_func3 = (pFun)*((int*)*(vptr+1)+4);     // vptr[1][4]

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：

class Base1
{
public:
	virtual void x() { cout << "Base1::x()" << endl; }
	virtual void y() { cout << "Base1::y()" << endl; }
	virtual void z() { cout << "Base1::z()" << endl; }
};
 
class Base2
{
public:
	virtual void x() { cout << "Base2::x()" << endl; }
	virtual void y() { cout << "Base2::y()" << endl; }
	virtual void z() { cout << "Base2::z()" << endl; }
};
 
class Derive : public Base1, public Base2
{
public:
	virtual void x() { cout << "Derive::x()" << endl; }     // 重写
	virtual void y1() { cout << "Derive::y1()" << endl; }
};

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：

Derive b;
Base1* ptr1 = &b;   // 指向 b 的初始地址
Base2* ptr2 = &b;   // 指向 b 的第二个子对象

• 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：

Base1* b1 = (Base1*)ptr2;
b1->y();                   // 输出 Base2::y()
Base2* b2 = (Base2*)ptr1;
b2->y();                   // 输出 Base1::y()

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()。

个人站点：http://songlee24.github.com

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参考：1、《Inside The C++ Object Model》

2、http://blog.csdn.net/haoel/article/details/1948051