C++進階之虛函數表

C++通過繼承（inheritance）和虛函數（virtual function）來實現多態性。所謂多態，簡單地說就是，將基類的指針或引用綁定到子類的實例，然後通過基類的指針或引用調用實際子類的成員函數（虛函數）。本文將介紹單繼承、多重繼承下虛函數的實現機制。

一、虛函數表

爲了支持虛函數機制，編譯器爲每一個擁有虛函數的類的實例創建了一個虛函數表（virtual table），這個表中有許多的槽（slot），每個槽中存放的是虛函數的地址。虛函數表解決了繼承、覆蓋、添加虛函數的問題，保證其真實反應實際的函數。

爲了能夠找到 virtual table，編譯器在每個擁有虛函數的類的實例中插入了一個成員指針 vptr，指向虛函數表。下面是一個例子：

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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; // 虛函數表地址 pFun func1 = (pFun)*((int*)*vptr); // 第一個函數 pFun func2 = (pFun)*((int*)*vptr+1); // 第二個函數 pFun func3 = (pFun)*((int*)*vptr+2); // 第三個函數 func1(); // 輸出Base::x() func2(); // 輸出Base::y() func3(); // 輸出Base::z() return 0; }

上面定義了一個Base類，其中有三個虛函數。我們將Base類對象取址 &b 並強制轉換爲 int，取得虛函數表的地址。然後對虛函數表的地址取值 \vptr 並強轉爲 int*，即取得第一個虛函數的地址了。將第一個虛函數的地址加1，取得第二個虛函數的地址，再加1即取得第三個虛函數的地址。

注意，之所以可以通過對象實例的地址得到虛函數表，是因爲 vptr 指針位於對象實例的最前面（這是由編譯器決定的，主要是爲了保證取到虛函數表有最高的性能——如果有多層繼承或是多重繼承的情況下）。如圖所示：

在VS2012中加斷點進行Debug可以查看到虛函數表：

二、單繼承時的虛函數表

1、無虛函數覆蓋

假如現有單繼承關係如下：

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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; } };

在這個單繼承的關係中，子類沒有重寫父類的任何方法，而是加入了三個新的虛函數。Derive類實例的虛函數表佈局如圖示：

• Derive class 繼承了 Base class 中的三個虛函數，準確的說，是該函數實體的地址被拷貝到 Derive 實例的虛函數表對應的 slot 之中。
• 新增的 虛函數 置於虛函數表的後面，並按聲明順序存放。

2、有虛函數覆蓋

如果在繼承關係中，子類重寫了父類的虛函數：

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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; } // 重寫 virtual void y1() { cout << "Derive::y1()" << endl; } virtual void z1() { cout << "Derive::z1()" << endl; } };

則Derive類實例的虛函數表佈局爲：

相比於無覆蓋的情況，只是把 Derive::x() 覆蓋了Base::x()，即第一個槽的函數地址發生了變化，其他的沒有變化。

這時，如果通過綁定了子類對象的基類指針調用函數 x()，會執行 Derive 版本的 x()，這就是多態。

三、多重繼承時的虛函數表

1、無虛函數覆蓋

現有如下的多重繼承關係，子類沒有覆蓋父類的虛函數：

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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; } };

對於 Derive 實例 d 的虛函數表佈局，如下圖：

可以看出：

• 每個基類子對象對應一個虛函數表。
• 派生類中新增的虛函數放到第一個虛函數表的後面。

測試代碼（VS2012）：

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typedef void(*pFun)(void); int main() { Derive b; int** vptr = (int**)&b; // 虛函數表地址 // 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; }

不同的編譯器對 virtual table 的實現不同，經測試，在 g++ 中需要這樣：

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// 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、有虛函數覆蓋

將上面的多重繼承關係稍作修改，讓子類重寫基類的 x() 函數：

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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; } // 重寫 virtual void y1() { cout << "Derive::y1()" << endl; } };

這時 Derive 實例的虛函數表佈局會變成下面這個樣子：

相比於無覆蓋的情況，只是將Derive::x()覆蓋了Base1::x()和Base2::x()而已，你可以自己寫測試代碼測試一下，這裏就不再贅述了。

注：若虛函數是 private 或 protected 的，我們照樣可以通過訪問虛函數表來訪問這些虛函數，即上面的測試代碼一樣能運行。

附：編譯器對指針的調整

在多重繼承下，我們可以將子類實例綁定到任一父類的指針（或引用）上。以上述有覆蓋的多重繼承關係爲例：

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Derive b; Base1* ptr1 = &b; // 指向 b 的初始地址 Base2* ptr2 = &b; // 指向 b 的第二個子對象

• 因爲 Base1 是第一個基類，所以 ptr1 指向的是 Derive 對象的起始地址，不需要調整指針（偏移）。
• 因爲 Base2 是第二個基類，所以必須對指針進行調整，即加上一個 offset，讓 ptr2 指向 Base2 子對象。
• 當然，上述過程是由編譯器完成的。

當然，你可以在VS2012裏通過Debug看出 ptr1 和 ptr2 是不同的，我們可以這樣子：

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

其實，通過某個類型的指針訪問某個成員時，編譯器只是根據類型的定義查找這個成員所在偏移量，用這個偏移量獲取成員。由於 ptr2 本來就指向 Base2 子對象的起始地址，所以b1->y()調用到的是Base2::y()，而 ptr1 本來就指向 Base1 子對象的起始地址（即 Derive對象的起始地址），所以b2->y()調用到的是Base1::y()。