C++虛函數表深入研究

Posted on by

面向對象的編程語言有3大特性：封裝、繼承和多態。C++是面向對象的語言（與C語言主要區別），所以C++也擁有多態的特性。

C++中多態分為兩種：靜態多態和動態多態。

靜態多態為編譯器在編譯期間就可以根據函數名和參數等信息確定調用某個函數。靜態多態主要體現為函數重載和運算符重載。

函數重載即類中定義多個同名成員函數，函數參數類型、參數個數和返回值不完全相同，編譯器編譯後這些同名函數的函數名會不一樣，也就是說編譯期間就確定瞭調用某個函數。C語言函數編譯後函數名就是原函數名，C++函數名為原函數名拼接函數參數等信息。

動態多態即運行時多態，在程序執行期間(非編譯期)判斷所引用對象的實際類型，根據其實際類型調用相應的方法。動態多態由虛函數來實現。

比如

class Base{};
class A: public Base{};
class A: public Base{};
Base *base = new A; // base靜態類型為Base*，動態類型為A*
base = new B; // base動態類型變為B*瞭

探索虛函數表結構

之前的文件提到過，一個類占用的空間，如果有虛函數就會占用8字節的空間來存放虛函數表的地址。
虛函數表內存空間 中依次存放著各個虛函數的指針，通過這個指針可以調用相關的虛函數。

下面通過代碼來驗證一下上面這個內存結構，定義一個Base類，中間有3個方法，f1/f2/f3。

class Base {
public:
    virtual void f1(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f3(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

實例化這個類後的內存模型如下圖所示：

在這裡插入圖片描述

下面通過代碼來驗證這個內存模型。

int main() {
    typedef void(*Fun)();  // Fun為f1 f2 f3的函數類型
    std::cout << sizeof(Base)<< std::endl;  // 輸出 8
    Base b;
    printf("b ptr = %p\n", &b);  // b ptr = 0x7ffeee41ac30
    long v_table_addr_value = *(long*)&b; // 取&b指針 前8字節的值，即虛函數表地址值
    printf("vtable ptr = 0x%lx\n", v_table_addr_value); // vtable ptr = 0x557dae962d48
    void *v_table_addr = (void*)v_table_addr_value;  // 把這8字節值轉為地址，即為虛函數表指針
    printf("vtable ptr = %p\n", v_table_addr); // vtable ptr = 0x557dae761cd4
    long f1_addr_value = *(long*)v_table_addr;  // 虛函數表前8字節為f1()函數指針值
    printf("f1() ptr = 0x%lx\n", f1_addr_value);  // f1() ptr = 0x557dae761cd4
    Fun f1 = (Fun)f1_addr_value;  // 虛函數表內存第1個8字節值轉為函數指針
    f1();  // 輸出：virtual void Base::f1()
    long f2_addr_value = *(long*)((char*)v_table_addr + 8);  // 虛函數表8-16字節為f2()函數指針值
    printf("f2() ptr = 0x%lx\n", f2_addr_value);  // f2() ptr = 0x557dae761d0c
    Fun f2 = (Fun)f2_addr_value;  // 虛函數表內存第2個8字節值轉為函數指針
    f2();  // 輸出：virtual void Base::f2()
    long f3_addr_value = *(long*)((char*)v_table_addr + 16);  // 虛函數表前16-24字節為f3()函數指針值
    printf("f3() ptr = 0x%lx\n", f3_addr_value);  // f3() ptr = 0x557dae761d44
    Fun f3 = (Fun)f3_addr_value;  // 虛函數表內存第3個8字節值轉為函數指針
    f3();  // virtual void Base::f3()
    return 0;
}

通過上述代碼的輸出結果可以驗證上圖的內存模型。

繼承基類重寫虛函數

現在定義一個繼承類Derived，重寫瞭f1()函數，也就是覆蓋掉瞭Base類中的函數f1()。同時又新增瞭虛擬函數f4()。

class Base {
public:
    virtual void f1(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f3(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};
class Derived : public Base
{
public:
    virtual void f1() override {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f4() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

通過上一節類似的代碼可以驗證new Derived()其內存模型為

在這裡插入圖片描述

由此可以得出以下結論：

  • 虛函數按照其聲明順序放於表中。
  • 父類的虛函數在子類的虛函數前面。
  • 覆蓋的函數放到瞭虛函數表中原來父類虛函數的位置。
  • 沒有被覆蓋的虛函數函數位置不變。

多基類繼承 虛函數表

繼承N個基類就有N個虛函數表，接下來使用代碼去驗證。

有3個基類Base1，Base2, Base3，都有兩個虛函數f1()、f2()。最後Derived 類繼承這3個基類。並重寫f1()函數，新增f4()函數。

class Base1 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};
class Base2 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};
class Base3 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};
class Derived : public Base1, public Base2, public Base3 {
public:
    void f1() override {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f4() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

此時，sizeof(Derived) 等於24，可以基本確定類實例中有3個虛函數表指針。
下面通過代碼來檢查一下內存數據。

class Base1 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};
class Base2 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};
class Base3 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};
class Derived : public Base1, public Base2, public Base3 {
public:
    void f1() override {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f4() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

根據上述代碼輸出結果，可以畫出下面內存模型。

在這裡插入圖片描述

由此可以得出以下結論：

  • 有幾個基類就有幾個虛函數表，且實例中虛函數表地址值存儲順序就是基類繼承順序。
  • 繼承類新增的虛函數f3()排在第一個虛函數表中，且在基類虛函數後面。
  • 繼承類中重寫基類的虛函數f1()，在每個虛函數表中都覆蓋相應的虛函數、

尋找被覆蓋的虛函數

Derived 類重寫基類Base的f1()函數後，那如果想調用基類的被覆蓋的虛函數的話，就需要明確類名字調用。

    Derived *d = new Derived();
    d->f1();  // virtual void Derived::f1()
    d->Base::f1();  // virtual void Base::f1()

內存空間中繼承類重寫的函數存在於虛函數表中原函數的位置，那麼原虛函數的位置在哪呢？

總結

本篇文章就到這裡瞭，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關註WalkonNet的更多內容！

面向對象的編程語言有3大特性：封裝、繼承和多態。C++是面向對象的語言（與C語言主要區別），所以C++也擁有多態的特性。

C++中多態分為兩種：靜態多態和動態多態。

靜態多態為編譯器在編譯期間就可以根據函數名和參數等信息確定調用某個函數。靜態多態主要體現為函數重載和運算符重載。

函數重載即類中定義多個同名成員函數，函數參數類型、參數個數和返回值不完全相同，編譯器編譯後這些同名函數的函數名會不一樣，也就是說編譯期間就確定瞭調用某個函數。C語言函數編譯後函數名就是原函數名，C++函數名為原函數名拼接函數參數等信息。

動態多態即運行時多態，在程序執行期間(非編譯期)判斷所引用對象的實際類型，根據其實際類型調用相應的方法。動態多態由虛函數來實現。

比如

class Base{};
class A: public Base{};
class A: public Base{};
Base *base = new A; // base靜態類型為Base*，動態類型為A*
base = new B; // base動態類型變為B*瞭

探索虛函數表結構

之前的文件提到過，一個類占用的空間，如果有虛函數就會占用8字節的空間來存放虛函數表的地址。
虛函數表內存空間 中依次存放著各個虛函數的指針，通過這個指針可以調用相關的虛函數。

下面通過代碼來驗證一下上面這個內存結構，定義一個Base類，中間有3個方法，f1/f2/f3。

class Base {
public:
    virtual void f1(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f3(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

實例化這個類後的內存模型如下圖所示：

在這裡插入圖片描述

下面通過代碼來驗證這個內存模型。

int main() {
    typedef void(*Fun)();  // Fun為f1 f2 f3的函數類型
    std::cout << sizeof(Base)<< std::endl;  // 輸出 8
    Base b;
    printf("b ptr = %p\n", &b);  // b ptr = 0x7ffeee41ac30
    long v_table_addr_value = *(long*)&b; // 取&b指針 前8字節的值，即虛函數表地址值
    printf("vtable ptr = 0x%lx\n", v_table_addr_value); // vtable ptr = 0x557dae962d48
    void *v_table_addr = (void*)v_table_addr_value;  // 把這8字節值轉為地址，即為虛函數表指針
    printf("vtable ptr = %p\n", v_table_addr); // vtable ptr = 0x557dae761cd4
    long f1_addr_value = *(long*)v_table_addr;  // 虛函數表前8字節為f1()函數指針值
    printf("f1() ptr = 0x%lx\n", f1_addr_value);  // f1() ptr = 0x557dae761cd4
    Fun f1 = (Fun)f1_addr_value;  // 虛函數表內存第1個8字節值轉為函數指針
    f1();  // 輸出：virtual void Base::f1()
    long f2_addr_value = *(long*)((char*)v_table_addr + 8);  // 虛函數表8-16字節為f2()函數指針值
    printf("f2() ptr = 0x%lx\n", f2_addr_value);  // f2() ptr = 0x557dae761d0c
    Fun f2 = (Fun)f2_addr_value;  // 虛函數表內存第2個8字節值轉為函數指針
    f2();  // 輸出：virtual void Base::f2()
    long f3_addr_value = *(long*)((char*)v_table_addr + 16);  // 虛函數表前16-24字節為f3()函數指針值
    printf("f3() ptr = 0x%lx\n", f3_addr_value);  // f3() ptr = 0x557dae761d44
    Fun f3 = (Fun)f3_addr_value;  // 虛函數表內存第3個8字節值轉為函數指針
    f3();  // virtual void Base::f3()
    return 0;
}

通過上述代碼的輸出結果可以驗證上圖的內存模型。

繼承基類重寫虛函數

現在定義一個繼承類Derived，重寫瞭f1()函數，也就是覆蓋掉瞭Base類中的函數f1()。同時又新增瞭虛擬函數f4()。

class Base {
public:
    virtual void f1(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f3(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};
class Derived : public Base
{
public:
    virtual void f1() override {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f4() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

通過上一節類似的代碼可以驗證new Derived()其內存模型為

在這裡插入圖片描述

由此可以得出以下結論：

  • 虛函數按照其聲明順序放於表中。
  • 父類的虛函數在子類的虛函數前面。
  • 覆蓋的函數放到瞭虛函數表中原來父類虛函數的位置。
  • 沒有被覆蓋的虛函數函數位置不變。

多基類繼承 虛函數表

繼承N個基類就有N個虛函數表，接下來使用代碼去驗證。

有3個基類Base1，Base2, Base3，都有兩個虛函數f1()、f2()。最後Derived 類繼承這3個基類。並重寫f1()函數，新增f4()函數。

class Base1 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};
class Base2 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};
class Base3 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};
class Derived : public Base1, public Base2, public Base3 {
public:
    void f1() override {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f4() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

此時，sizeof(Derived) 等於24，可以基本確定類實例中有3個虛函數表指針。
下面通過代碼來檢查一下內存數據。

class Base1 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};
class Base2 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};
class Base3 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};
class Derived : public Base1, public Base2, public Base3 {
public:
    void f1() override {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
    virtual void f4() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

根據上述代碼輸出結果，可以畫出下面內存模型。

在這裡插入圖片描述

由此可以得出以下結論：

  • 有幾個基類就有幾個虛函數表，且實例中虛函數表地址值存儲順序就是基類繼承順序。
  • 繼承類新增的虛函數f3()排在第一個虛函數表中，且在基類虛函數後面。
  • 繼承類中重寫基類的虛函數f1()，在每個虛函數表中都覆蓋相應的虛函數、

尋找被覆蓋的虛函數

Derived 類重寫基類Base的f1()函數後，那如果想調用基類的被覆蓋的虛函數的話，就需要明確類名字調用。

    Derived *d = new Derived();
    d->f1();  // virtual void Derived::f1()
    d->Base::f1();  // virtual void Base::f1()

內存空間中繼承類重寫的函數存在於虛函數表中原函數的位置，那麼原虛函數的位置在哪呢？

總結

本篇文章就到這裡瞭，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關註WalkonNet的更多內容！

推薦閱讀：