【C++】虚函数的实现机制

一.什么是虚函数？

虚函数是在类中由virtual关键字声明的成员函数，并且每一个含有虚函数的类都至少有一个与之对应的虚函数表，其中存放着该类所有虚函数对应的函数指针

在基类中进行如下定义：

virtual void show() //由于有virtual修饰所以是虚函数

void show()//虽然和前面声明的show虚函数同名，但不是虚函数

• B的虚函数表中存放着B::foo和B::bar两个函数指针。

• D的虚函数表中存放的既有继承自B的虚函数B::foo，又有重写（override）了基类虚函数B::bar的D::bar，还有新增的虚函数D::quz。

所有虚函数地址都会存放在所属类的虚函数表vtbl中，另外在基类中声明为虚函数的成员方法，达到子类是仍然是虚函数，即使子类中重新定义基类虚函数时未使用virtual修饰，该函数地址仍会放在子类的虚函数表vtbl中

二.虚函数表是如何构造和继承的？

1)基类虚函数表的构造：

首先在基类声明中找到所有虚函数，按照其声明顺序编码，然后按照此声明顺序为基类创建一个虚函数表，其内容就是指向这些虚函数的函数指针，按照虚函数声明的顺序将这些虚函数的地址填入虚函数表中，例如若show放在虚函数声明的第二位，则在虚函数表中也放第二位

2）子类虚函数表的构建和继承：

首先将基类的虚函数表复制到该子类的虚函数表指针中，若子类重写了基类的虚函数show，则将子类的虚函数表存放show的函数地址更新未重写后函数的函数指针（未重写前存放的是子类的show虚函数的函数地址），若子类增加了一些虚函数的声明，则将这些虚函数的地址加到该类虚函数表的后面

三.虚函数的调用过程/虚函数表是如何访问的？

基类     Base::virtualvoid show();              (1)

子类     Extend::virtualvoid show();             (2)

Extern ext;

Base*pBase=&ext;

pBase->show();

当指向pBase->show()时，要观察show在Base基类中声明的是虚函数还是非虚函数，若为虚函数将使用动态联编(使用虚函数表决定如何调用函数)，若为非虚函数则使用静态联编(根据调用指针pBase的类型来确定调用哪个类的成员函数)，此处show为虚函数，首先由于检查到PBase指针类型所指的类Base中show定义为虚函数，因此找到pBase所指对象(有可能是Base类型也有可能是Extern类型)，访问对象得到该对象的所属类虚函数地址表，其次，查找show在Base类中声明的位置以此找到其在show在Base类中所有虚函数声明中的位序，然后到pBase所指对象的所属类的虚函数表中访问该位序的函数指针，从而得到要执行的函数

当执行pBase->show();时首先到Base中查看show()，发现其为虚函数，然后访问pBase指向的ext对象，在对象中得到Extend类的虚函数表，在Base类声明中找到show()声明的位序0，访问Extend类的虚函数表的位置0，得到show的函数地址。注意若只有基类定义了virtual void show();而子类未重写virtual void show();即上面的函数（2），则Extend虚函数表中的位序0中存放的地址仍然是Base类中定义的virtual void show()函数，而若Extend类中重写了Base类中的virtual void show()方法，则Extend的虚函数表中位序0的函数地址将被更新为Extend中新重写的函数地址。从而调用pBase->show()时将产生多态的现象。

总结：当调用pBase->show();时，执行的步骤：

1.判断Base类中show是否为虚函数。

2.若不是虚函数则找到pBase所指向的对象所属类Base。执行Base::show()。若是虚函数则执行步骤3.

3.访问pBase所指对象的虚函数表指针得到pBase所指对象所在类的虚函数表。

4.查找Base中show()在声明时的位序为x，到步骤3得到的虚函数表中找到位序x，从而得到要执行的show的函数地址。

5.根据函数地址和Base中声明的show的函数类型(形参和返回值)访问地址所指向的函数。

无论pBase指向哪种类型的对象，只要能够确定被调函数在虚函数中的偏移值，待运行时，能够确定具体类型，并能找到相应vptr了，就能找出真正应该调用的函数。