一篇文章徹底弄懂C++虛函數(shù)的實現(xiàn)機(jī)制

更新時間：2021年06月30日 12:57:12 作者：彼方

C++中的虛函數(shù)的作用主要是實現(xiàn)了多態(tài)的機(jī)制,基類定義虛函數(shù),子類可以重寫該函數(shù),在派生類中對基類定義的虛函數(shù)進(jìn)行重寫時,需要在派生類中聲明該方法為虛方法,這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于如何通過一篇文章徹底弄懂C++虛函數(shù)的實現(xiàn)機(jī)制,需要的朋友可以參考下

1、虛函數(shù)簡介

C++中有兩種方式實現(xiàn)多態(tài)，即重載和覆蓋。

重載：是指允許存在多個同名函數(shù)，而這些函數(shù)的參數(shù)表不同（參數(shù)個數(shù)不同、參數(shù)類型不同或者兩者都不同）。
覆蓋：是指子類重新定義父類虛函數(shù)的做法，簡而言之就是用父類型別的指針指向其子類的實例，然后通過父類的指針調(diào)用實際子類的成員函數(shù)。這種技術(shù)可以讓父類的指針擁有“多種形態(tài)”，這是一種泛型技術(shù)。所謂泛型技術(shù)，說白了就是試圖使用不變的代碼來實現(xiàn)可變的算法，比如：模板元編程是在編譯期完成的泛型技術(shù)，RTTI、虛函數(shù)則是在運行時完成的泛型技術(shù)。

關(guān)于虛函數(shù)的具體使用方法，建議大家先去閱讀相關(guān)的C++的書籍，本文只剖析虛函數(shù)的實現(xiàn)機(jī)制，讓大家對虛函數(shù)有一個更加清晰的認(rèn)識，并不對虛函數(shù)的具體使用方法作過多介紹。本文是依據(jù)個人經(jīng)驗和查閱相關(guān)資料最終編寫的，如有錯漏，希望大家多多指正。

2、虛函數(shù)表簡介

學(xué)過C++的人都應(yīng)該知道虛函數(shù)（Virtual Function）是通過虛函數(shù)表（Virtual Table，簡稱為V-Table）來實現(xiàn)的。虛函數(shù)表主要存儲的是指向一個類的虛函數(shù)地址的指針，通過使用虛函數(shù)表，繼承、覆蓋的問題都都得到了解決。假如一個類有虛函數(shù)，當(dāng)我們構(gòu)建這個類的實例時，將會額外分配一個指向該類虛函數(shù)表的指針，當(dāng)我們用父類的指針來操作一個子類的時候，這個指向虛函數(shù)表的指針就派上用場了，它指明了此時應(yīng)該使用哪個虛函數(shù)表，而虛函數(shù)表本身就像一個地圖一樣，為編譯器指明了實際所應(yīng)該調(diào)用的函數(shù)。指向虛函數(shù)表的指針是存在于對象實例中最前面的位置（這是為了保證取到虛函數(shù)表的有最高的性能——如果有多層繼承或是多重繼承的情況下），這就意味著理論上我們可以通過對象實例的地址得到這張?zhí)摵瘮?shù)表（實際上確實可以做到），然后對虛函數(shù)表進(jìn)行遍歷，并調(diào)用其中的函數(shù)。

前面說了一大堆理論，中看不中用，下面還是通過一個實際的例子驗證一下前面講的內(nèi)容，首先定義一個Base類，該類有三個虛函數(shù)，代碼如下：

#include <iostream>
#include <string>

typedef void (*Fun)(void);

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

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

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

接下來按照前面的說法，我們通過Base類的實例對象base來獲取虛函數(shù)表，代碼如下：

int main(int argc, char* argv[])
{
    Base base;
    Fun fun = nullptr;

    std::cout << "指向虛函數(shù)表指針的地址：" << (long*)(&base) << std::endl;
    std::cout << "虛函數(shù)表的地址：" << (long*)*(long*)(&base) << std::endl;

    fun = (Fun)*((long*)*(long*)(&base));
    std::cout << "虛函數(shù)表中第一個函數(shù)的地址：" << (long*)fun << std::endl;
    fun();

    fun = (Fun)*((long*)*(long*)(&base) + 1);
    std::cout << "虛函數(shù)表中第二個函數(shù)的地址：" << (long*)fun << std::endl;
    fun();

    fun = (Fun)*((long*)*(long*)(&base) + 2);
    std::cout << "虛函數(shù)表中第三個函數(shù)的地址：" << (long*)fun << std::endl;
    fun();
}

運行結(jié)果圖2-1所示（Linux 3.10.0 + GCC 4.8.5）：

圖2-1 程序運行結(jié)果

在上面的例子中我們通過把&base強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成long *，來取得指向虛函數(shù)表的指針的地址，然后對這個地址取值就可以得到對應(yīng)的虛函數(shù)表了。得到對應(yīng)虛函數(shù)表的首地址后，就可以通過不斷偏移該地址，依次得到指向真實虛函數(shù)的指針了。這么說有點繞也有點暈，下面通過一幅圖解釋一下前面說的內(nèi)容，詳見圖2-2

圖2-2 基類虛函數(shù)表內(nèi)存布局

當(dāng)然，上述內(nèi)容也可以在GDB中調(diào)試驗證，后續(xù)的內(nèi)容也將全部在GDB下直接驗證，調(diào)試的示例見圖2-3：

圖2-3 GDB查看基類虛函數(shù)表內(nèi)存布局

3、有繼承關(guān)系的虛函數(shù)表剖析

前面分析虛函數(shù)表的場景是沒有繼承關(guān)系的，然而在實際開發(fā)中，沒有繼承關(guān)系的虛函數(shù)純屬浪費表情，所以接下來我們就來看看有繼承關(guān)系下虛函數(shù)表會呈現(xiàn)出什么不一樣的特點，分析的時候會分別就單繼承無虛函數(shù)覆蓋、單繼承有虛函數(shù)覆蓋、多重繼承、多層繼承這幾個場景進(jìn)行說明。

3.1、單繼承無虛函數(shù)覆蓋的情況

先定義一個Base類，再定義一個Derived類，Derived類繼承于Base類，代碼如下：

#include <iostream>
#include <string>

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

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

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

class Derived : public Base
{
public:
    virtual void f1()
    {
        std::cout << "Derived::f1()" << std::endl;
    }

    virtual void g1()
    {
        std::cout << "Derived::g1()" << std::endl;
    }

    virtual void h1()
    {
        std::cout << "Derived::h1()" << std::endl;
    }
};

繼承關(guān)系如圖3-1所示：

圖3-1 類繼承關(guān)系UML圖

測試的代碼如下，因為等下要使用GDB來驗證，所以就隨便寫點，定義個Derived類實例就行了

int main(int argc, char* argv[])
{
    Derived derived;
    derived.f();
}

派生類Derived的虛函數(shù)表內(nèi)存布局如圖3-2所示：

圖3-2 單繼承無虛函數(shù)覆蓋情況下派生類虛函數(shù)表內(nèi)存布局

接下來就用GDB調(diào)試一下，驗證上圖的內(nèi)存布局是否正確，如圖3-3所示：

圖3-3 GDB查看單繼承無虛函數(shù)覆蓋情況下派生類虛函數(shù)表內(nèi)存布局

從調(diào)試結(jié)果可以看出圖3-2是正確的，Derived的虛函數(shù)表中先放Base的虛函數(shù)，再放Derived的虛函數(shù)。

3.2、單繼承有虛函數(shù)覆蓋的情況

派生類覆蓋基類的虛函數(shù)是很有必要的事情，不這么做的話虛函數(shù)的存在將毫無意義。下面我們就來看一下如果派生類中有虛函數(shù)覆蓋了基類的虛函數(shù)的話，對應(yīng)的虛函數(shù)表會是一個什么樣子。還是老規(guī)矩先定義兩個有繼承關(guān)系的類，注意一下我這里只覆蓋了基類的g()

#include <iostream>
#include <string>

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

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

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

class Derived : public Base
{
public:
    virtual void f1()
    {
        std::cout << "Derived::f1()" << std::endl;
    }

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

    virtual void h1()
    {
        std::cout << "Derived::h1()" << std::endl;
    }
};

繼承關(guān)系如圖3-4所示：

圖3-4 類繼承關(guān)系UML圖

測試的代碼如下，因為等下要使用GDB來驗證，所以就隨便寫點，定義個Derived類實例就行了

int main(int argc, char* argv[])
{
    Derived derived;
    derived.g();
}

派生類Derived的虛函數(shù)表內(nèi)存布局如圖3-5所示：

圖3-5 單繼承有虛函數(shù)覆蓋情況下派生類虛函數(shù)表內(nèi)存布局

接下來就用GDB調(diào)試一下，驗證上圖的內(nèi)存布局是否正確，如圖3-6所示：

圖3-6 GDB查看單繼承有虛函數(shù)覆蓋情況下派生類虛函數(shù)表內(nèi)存布局

從調(diào)試結(jié)果可以看出圖3-5是正確的，并且可以得到以下幾點信息：

覆蓋的g()被放到了虛表中原來父類虛函數(shù)的位置沒有被覆蓋的虛函數(shù)位置排序依舊不變

有了前面的理論基礎(chǔ)，我們可以知道對于下面的代碼，由base所指的內(nèi)存中的虛函數(shù)表的Base::g()的位置已經(jīng)被Derived::g()所取代，于是在實際調(diào)用發(fā)生時，調(diào)用的是Derived::g()，從而實現(xiàn)了多態(tài)

int main(int argc, char* argv[])
{
    Base* base = new Derived();
    base->f();
    base->g();
    base->h();
}

輸出結(jié)果如圖3-7所示：

圖3-7 程序運行結(jié)果

注意：在前面的例子中，我們分配內(nèi)存的實例對象的類型是Derived，但是卻用Base的指針去引用它，這個過程中數(shù)據(jù)并沒有發(fā)生任何的轉(zhuǎn)換，實例的真實類型依舊是Derived，但是由于我們使用時用的是Base類型，所以函數(shù)調(diào)用要依據(jù)Base類來，不能胡亂調(diào)用，比如說我們此時是無法調(diào)用Derived的f1()和h1()的。由于這個是個單繼承，不存在虛函數(shù)表選擇問題，相對比較簡單。

3.3、多重繼承的情況

多重繼承就不分開講有覆蓋和無覆蓋的情況了，其實結(jié)合前面講的就差不多知道是什么個情況了，下面的例子中會設(shè)計成派生類既有自己的虛函數(shù)，又有用于覆蓋基類的虛函數(shù)，這樣就能兼顧有覆蓋和無覆蓋的情況了。

類的設(shè)計如下：

#include <iostream>
#include <string>

class Base1
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "Base1::f()" << std::endl;
    }

    virtual void g()
    {
        std::cout << "Base1::g()" << std::endl;
    }

    virtual void h()
    {
        std::cout << "Base1::h()" << std::endl;
    }
};

class Base2
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "Base2::f()" << std::endl;
    }

    virtual void g()
    {
        std::cout << "Base2::g()" << std::endl;
    }

    virtual void h()
    {
        std::cout << "Base2::h()" << std::endl;
    }
};

class Base3
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "Base3::f()" << std::endl;
    }

    virtual void g()
    {
        std::cout << "Base3::g()" << std::endl;
    }

    virtual void h()
    {
        std::cout << "Base3::h()" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base1, public Base2, public Base3
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "Derived::f()" << std::endl;
    }

    virtual void g1()
    {
        std::cout << "Derived::g1()" << std::endl;
    }

    virtual void h1()
    {
        std::cout << "Derived::h1()" << std::endl;
    }
};

繼承關(guān)系如圖3-8所示：

圖3-8 類繼承關(guān)系UML圖

測試的代碼如下：

int main(int argc, char* argv[])
{
    Derived* d = new Derived();
    Base1* b1 = d;
    Base2* b2 = d;
    Base3* b3 = d;
    std::cout << (long*)(*(long*)b1) << std::endl;
    std::cout << (long*)(*(long*)b2) << std::endl;
    std::cout << (long*)(*(long*)b3) << std::endl;
}

輸出結(jié)果如圖3-9所示：

圖3-9 程序運行結(jié)果

輸出信息非常有趣，明明b1、b2、b3指向的都是d，但是它們各自取出來的虛函數(shù)表的地址卻完全不同，按理來說不是應(yīng)該相同嗎？別急，下面我們通過圖3-10來看一看多繼承下派生類虛函數(shù)表的內(nèi)存布局是什么樣的

圖3-10 多重繼承情況下派生類虛函數(shù)表內(nèi)存布局

從圖3-10中可以看出以下幾點信息：

在派生類中，每個基類都有一個屬于自己的虛函數(shù)表
派生類自己特有的虛函數(shù)被放到了第一個基類的表中（第一個基類是按照繼承順序來確定的）

這里我們就會得出一個新問題了，對于上面例子中的b1，這個沒啥問題，因為它的類型Base1就是第一個被繼承的，所以我們當(dāng)然可以認(rèn)為這個不會出任何問題，但是對于b2呢，它被繼承的位置可不是第一個啊，運行時要怎么確定它的虛函數(shù)表呢？它有沒有可能一不小心找到Base1的虛函數(shù)去？恰好這個例子中幾個基類的虛函數(shù)名字和參數(shù)又都是完全相同的。這里其實就涉及到編譯器的處理了，當(dāng)我們執(zhí)行賦值操作Base2* b2 = d;時，編譯器會自動把b2的虛函數(shù)表指針指向正確的位置，這個過程應(yīng)該是編譯器做的，所以虛函數(shù)所實現(xiàn)的多態(tài)應(yīng)該是“靜動結(jié)合”的，有部分工作需要在編譯時期完成的。

下面我們依然借助GDB來看一下實際的內(nèi)存布局，詳見圖3-11，從調(diào)試信息中可以看出此時確實有三張?zhí)摵瘮?shù)表，對應(yīng)三個基類

圖3-11 GDB查看多重繼承情況下派生類虛函數(shù)表內(nèi)存布局

第一張表的數(shù)據(jù)如圖3-12所示，可以看到和圖3-10描述的內(nèi)容是一致的，Derived自己特有的虛函數(shù)確實被加入到了第一張表中了，這里指示虛函數(shù)表結(jié)束的表示好像是那個0xfffffffffffffff8，不知道是不是固定的，有知道的小伙伴麻煩評論區(qū)告訴我一下謝謝

圖3-12 派生類第一張?zhí)摵瘮?shù)表

第二張表的數(shù)據(jù)如圖3-13所示，這里的結(jié)束符變成了0xfffffffffffffff0，搞不懂

圖3-13 派生類第二張?zhí)摵瘮?shù)表

第三張表的數(shù)據(jù)如圖3-14所示，這里的結(jié)束符終于是0x0了

圖3-14 派生類第三張?zhí)摵瘮?shù)表

補(bǔ)充說明：如果繼承的某個類沒有虛函數(shù)的話，比如說將上面的Base2修改為以下格式：

class Base2
{
public:
    void f()
    {
        std::cout << "Base2::f()" << std::endl;
    }

    void g()
    {
        std::cout << "Base2::g()" << std::endl;
    }

    void h()
    {
        std::cout << "Base2::h()" << std::endl;
    }
};

main函數(shù)不變，再運行以下程序，輸出結(jié)果如圖3-15所示，說明此時就沒有指向Base2虛函數(shù)表的指針了，因為它本來就沒有虛函數(shù)表

圖3-15 程序運行結(jié)果

3.4、多層繼承的情況

多層繼承的在有前面的基礎(chǔ)上來理解就非常簡單了，測試程序如下：

#include <iostream>
#include <string>

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

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

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

class Derived : public Base
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "Derived::f()" << std::endl;
    }

    virtual void g1()
    {
        std::cout << "Derived::g1()" << std::endl;
    }
};

class DDerived : public Derived
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "DDerived::f()" << std::endl;
    }

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

    virtual void g2()
    {
        std::cout << "DDerived::g2()" << std::endl;
    }
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    DDerived dd;
    dd.f();
}

繼承關(guān)系如圖3-16所示：

圖3-16 類繼承關(guān)系UML圖

派生類DDerived的虛函數(shù)表內(nèi)存布局如圖3-17所示：

圖3-17 多層繼承情況下派生類虛函數(shù)表內(nèi)存布局

多層繼承的情況這里就不使用GDB去看內(nèi)存布局了，比較簡單，大家可以自行去測試一下。

4、總結(jié)

本文先對虛函數(shù)的概念進(jìn)行了簡單介紹，引出了虛函數(shù)表這個實現(xiàn)虛函數(shù)的關(guān)鍵要素，然后對不同繼承案例下虛函數(shù)表的內(nèi)存布局進(jìn)行說明，并使用GDB進(jìn)行實戰(zhàn)驗證。相信看完這篇文章后聰明的你會對虛函數(shù)有更加深刻的理解了。

到此這篇關(guān)于C++虛函數(shù)實現(xiàn)機(jī)制的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++虛函數(shù)實現(xiàn)機(jī)制內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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