C++虛表

C++中的虛函數(shù)的作用主要是實(shí)現(xiàn)了多態(tài)的機(jī)制。關(guān)于多態(tài)，簡(jiǎn)而言之就是用父類(lèi)型別的指針指向其子類(lèi)的實(shí)例，然后通過(guò)父類(lèi)的指針調(diào)用實(shí)際子類(lèi)的成員函數(shù)。這種技術(shù)可以讓父類(lèi)的指針有“多種形態(tài)”，這是一種泛型技術(shù)。所謂泛型技術(shù)，說(shuō)白了就是試圖使用不變的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)可變的算法。比如：模板技術(shù)，RTTI技術(shù)，虛函數(shù)技術(shù)，要么是試圖做到在編譯時(shí)決議，要么試圖做到運(yùn)行時(shí)決議。

關(guān)于虛函數(shù)的使用方法，我在這里不做過(guò)多的闡述。大家可以看看相關(guān)的C++的書(shū)籍。在這篇文章中，我只想從虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制上面為大家 一個(gè)清晰的剖析。

當(dāng)然，相同的文章在網(wǎng)上也出現(xiàn)過(guò)一些了，但我總感覺(jué)這些文章不是很容易閱讀，大段大段的代碼，沒(méi)有圖片，沒(méi)有詳細(xì)的說(shuō)明，沒(méi)有比較，沒(méi)有舉一反三。不利于學(xué)習(xí)和閱讀，所以這是我想寫(xiě)下這篇文章的原因。也希望大家多給我提意見(jiàn)。

言歸正傳，讓我們一起進(jìn)入虛函數(shù)的世界。

對(duì)C++ 了解的人都應(yīng)該知道虛函數(shù)（Virtual Function）是通過(guò)一張?zhí)摵瘮?shù)表（Virtual Table）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)稱(chēng)為V-Table。 在這個(gè)表中，主是要一個(gè)類(lèi)的虛函數(shù)的地址表，這張表解決了繼承、覆蓋的問(wèn)題，保證其容真實(shí)反應(yīng)實(shí)際的函數(shù)。這樣，在有虛函數(shù)的類(lèi)的實(shí)例中這個(gè)表被分配在了 這個(gè)實(shí)例的內(nèi)存中，所以，當(dāng)我們用父類(lèi)的指針來(lái)操作一個(gè)子類(lèi)的時(shí)候，這張?zhí)摵瘮?shù)表就顯得由為重要了，它就像一個(gè)地圖一樣，指明了實(shí)際所應(yīng)該調(diào)用的函數(shù)。

這里我們著重看一下這張?zhí)摵瘮?shù)表。在C++的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格說(shuō)明書(shū)中說(shuō)到，編譯器必需要保證虛函數(shù)表的指針存在于對(duì)象實(shí)例中最前面的位置（這是為了保證正確取到虛函數(shù)的偏移量）。 這意味著我們通過(guò)對(duì)象實(shí)例的地址得到這張?zhí)摵瘮?shù)表，然后就可以遍歷其中函數(shù)指針，并調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。

聽(tīng)我扯了那么多，我可以感覺(jué)出來(lái)你現(xiàn)在可能比以前更加暈頭轉(zhuǎn)向了。 沒(méi)關(guān)系，下面就是實(shí)際的例子，相信聰明的你一看就明白了。

假設(shè)我們有這樣的一個(gè)類(lèi)：

class Base {

public:

virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }

virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }

virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }

};

按照上面的說(shuō)法，我們可以通過(guò)Base的實(shí)例來(lái)得到虛函數(shù)表。 下面是實(shí)際例程：

typedef void(*Fun)(void);

Base b;

Fun pFun = NULL;

cout << "虛函數(shù)表地址：" << (int*)(&b) << endl;

cout << "虛函數(shù)表 — 第一個(gè)函數(shù)地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;

?

/*這里的一點(diǎn)爭(zhēng)議的個(gè)人看法*/

原文認(rèn)為(int*)(&b)是虛表的地址，而很多網(wǎng)友都說(shuō)，（包括我也認(rèn)為）：(int *)*(int*)(&b)才是虛表地址

而(int*)*((int*)*(int*)(&b));?才是虛表第一個(gè)虛函數(shù)的地址。

其實(shí)看后面的調(diào)用pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b)); 就可以看出，*((int*)*(int*)(&b));轉(zhuǎn)成函數(shù)指針給pFun，然后正確的調(diào)用到了虛函數(shù)virtual void f()。

?

?

// Invoke the first virtual function

pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));

pFun();

實(shí)際運(yùn)行經(jīng)果如下：(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)

虛函數(shù)表地址：0012FED4

虛函數(shù)表 — 第一個(gè)函數(shù)地址：0044F148

Base::f

通過(guò)這個(gè)示例，我們可以看到，我們可以通過(guò)強(qiáng)行把&b轉(zhuǎn)成int *，取得虛函數(shù)表的地址，然后，再次取址就可以得到第一個(gè)虛函數(shù)的地址了，也就是Base::f()，這在上面的程序中得到了驗(yàn)證（把int* 強(qiáng)制轉(zhuǎn)成了函數(shù)指針）。通過(guò)這個(gè)示例，我們就可以知道如果要調(diào)用Base::g()和Base::h()，其代碼如下：

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::f()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base::g()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h()

這個(gè)時(shí)候你應(yīng)該懂了吧。什么？還是有點(diǎn)暈。也是，這樣的代碼看著太亂了。沒(méi)問(wèn)題，讓我畫(huà)個(gè)圖解釋一下。如下所示：

?

注意：在上面這個(gè)圖中，我在虛函數(shù)表的最后多加了一個(gè)結(jié)點(diǎn)，這是虛函數(shù)表的結(jié)束結(jié)點(diǎn)，就像字符串的結(jié)束符“/0”一樣，其標(biāo)志了虛函數(shù)表的結(jié)束。這個(gè)結(jié)束標(biāo)志的值在不同的編譯器下是不同的。在WinXP+VS2003下，這個(gè)值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，這個(gè)值是如果1，表示還有下一個(gè)虛函數(shù)表，如果值是0，表示是最后一個(gè)虛函數(shù)表。

下面，我將分別說(shuō)明“無(wú)覆蓋”和“有覆蓋”時(shí)的虛函數(shù)表的樣子。沒(méi)有覆蓋父類(lèi)的虛函數(shù)是毫無(wú)意義的。我之所以要講述沒(méi)有覆蓋的情況，主要目的是為了給一個(gè)對(duì)比。在比較之下，我們可以更加清楚地知道其內(nèi)部的具體實(shí)現(xiàn)。

下面，再讓我們來(lái)看看繼承時(shí)的虛函數(shù)表是什么樣的。假設(shè)有如下所示的一個(gè)繼承關(guān)系：

請(qǐng)注意，在這個(gè)繼承關(guān)系中，子類(lèi)沒(méi)有重載任何父類(lèi)的函數(shù)。那么，在派生類(lèi)的實(shí)例中，其虛函數(shù)表如下所示：

對(duì)于實(shí)例：Derive d; 的虛函數(shù)表如下：

我們可以看到下面幾點(diǎn)：

1）虛函數(shù)按照其聲明順序放于表中。

2）父類(lèi)的虛函數(shù)在子類(lèi)的虛函數(shù)前面。

我相信聰明的你一定可以參考前面的那個(gè)程序，來(lái)編寫(xiě)一段程序來(lái)驗(yàn)證。

覆蓋父類(lèi)的虛函數(shù)是很顯然的事情，不然，虛函數(shù)就變得毫無(wú)意義。下面，我們來(lái)看一下，如果子類(lèi)中有虛函數(shù)重載了父類(lèi)的虛函數(shù)，會(huì)是一個(gè)什么樣子？假設(shè)，我們有下面這樣的一個(gè)繼承關(guān)系。

為了讓大家看到被繼承過(guò)后的效果，在這個(gè)類(lèi)的設(shè)計(jì)中，我只覆蓋了父類(lèi)的一個(gè)函數(shù)：f()。那么，對(duì)于派生類(lèi)的實(shí)例，其虛函數(shù)表會(huì)是下面的一個(gè)樣子：

我們從表中可以看到下面幾點(diǎn)，

1）覆蓋的f()函數(shù)被放到了虛表中原來(lái)父類(lèi)虛函數(shù)的位置。

2）沒(méi)有被覆蓋的函數(shù)依舊。

這樣，我們就可以看到對(duì)于下面這樣的程序，

Base *b = new Derive();

b->f();

由b所指的內(nèi)存中的虛函數(shù)表的f()的位置已經(jīng)被Derive::f()函數(shù)地址所取代，于是在實(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí)，是Derive::f()被調(diào)用了。這就實(shí)現(xiàn)了多態(tài)。

下面，再讓我們來(lái)看看多重繼承中的情況，假設(shè)有下面這樣一個(gè)類(lèi)的繼承關(guān)系。注意：子類(lèi)并沒(méi)有覆蓋父類(lèi)的函數(shù)。

對(duì)于子類(lèi)實(shí)例中的虛函數(shù)表，是下面這個(gè)樣子：

我們可以看到：

1） 每個(gè)父類(lèi)都有自己的虛表。

2） 子類(lèi)的成員函數(shù)被放到了第一個(gè)父類(lèi)的表中。（所謂的第一個(gè)父類(lèi)是按照聲明順序來(lái)判斷的）

這樣做就是為了解決不同的父類(lèi)類(lèi)型的指針指向同一個(gè)子類(lèi)實(shí)例，而能夠調(diào)用到實(shí)際的函數(shù)。

下面我們?cè)賮?lái)看看，如果發(fā)生虛函數(shù)覆蓋的情況。

下圖中，我們?cè)谧宇?lèi)中覆蓋了父類(lèi)的f()函數(shù)。

下面是對(duì)于子類(lèi)實(shí)例中的虛函數(shù)表的圖：

我們可以看見(jiàn)，三個(gè)父類(lèi)虛函數(shù)表中的f()的位置被替換成了子類(lèi)的函數(shù)指針。這樣，我們就可以任一靜態(tài)類(lèi)型的父類(lèi)來(lái)指向子類(lèi)，并調(diào)用子類(lèi)的f()了。如：

Derive d;

Base1 *b1 = &d;

Base2 *b2 = &d;

Base3 *b3 = &d;

b1->f(); //Derive::f()

b2->f(); //Derive::f()

b3->f(); //Derive::f()

b1->g(); //Base1::g()

b2->g(); //Base2::g()

b3->g(); //Base3::g()

每次寫(xiě)C++的文章，總免不了要批判一下C++。這篇文章也不例外。通過(guò)上面的講述，相信我們對(duì)虛函數(shù)表有一個(gè)比較細(xì)致的了解了。水可載舟，亦可覆舟。下面，讓我們來(lái)看看我們可以用虛函數(shù)表來(lái)干點(diǎn)什么壞事吧。

一、通過(guò)父類(lèi)型的指針訪問(wèn)子類(lèi)自己的虛函數(shù)

我們知道，子類(lèi)沒(méi)有重載父類(lèi)的虛函數(shù)是一件毫無(wú)意義的事情。因?yàn)槎鄳B(tài)也是要基于函數(shù)重載的。雖然在上面的圖中我們可以看到Base1的虛表中有Derive的虛函數(shù)，但我們根本不可能使用下面的語(yǔ)句來(lái)調(diào)用子類(lèi)的自有虛函數(shù)：

Base1 *b1 = new Derive();

b1->f1(); //編譯出錯(cuò)

任何妄圖使用父類(lèi)指針想調(diào)用子類(lèi)中的未覆蓋父類(lèi)的成員函數(shù)的行為都會(huì)被編譯器視為非法，所以，這樣的程序根本無(wú)法編譯通過(guò)。