C++ Virtual总结

虚函数表

C++中的虚函数的实现一般是通过虚函数表(C++规范并没有规定具体用哪种方法，但大部分的编译器厂商都选择此方法)。

类的虚函数表是一块连续的内存，每个内存单元中记录一个JMP指令的地址。

注意的是，编译器会为每个有虚函数的类创建一个虚函数表，该虚函数表将被该类的所有对象共享。类的每个虚成员占据虚函数表中的一行。如果类中有N个虚函数，那么其虚函数表将有N*4字节的大小。

虚函数（Virtual Function）是通过一张虚函数表来实现的。简称为V-Table。在这个表中，主要是一个类的虚函数的地址表，这张表解决了继承、覆盖的问题，保证其真实反应实际的函数。这样，在有虚函数的类的实例中分配了指向这个表的指针的内存，所以，当用父类的指针来操作一个子类的时候，这张虚函数表就显得尤为重要了，它就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。

编译器应该是保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置（这是为了保证取到虚函数表的有最高的性能——如果有多层继承或是多重继承的情况下）。 这意味着可以通过对象实例的地址得到这张虚函数表，然后就可以遍历其中函数指针，并调用相应的函数。

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c++是一门面向对象的语言，但是它和c#，java不同，它没有反射机制。没有反射机制使得c++在语言的一些设计方面与其他语言有点不一样，主要体现在智能化方面，许多东西得程序员明确指定，例如本文要讲的virtual关键字。virtual是在运行时才体现的，而c++在运行时无法使用反射来确定当前类的父类是否有此方法，此方法是否被重载等信息，所以必须在写代码时用virtual来明确指明，然后通过编译器做一些特殊处理（也就是使用虚表）。

我们见到virtual最多的地方是在c++里面的多态实现。

// dynamic_poly.h
#include <iostream>
// 公共抽象基类Vehicle
class Vehicle
{
public:
    virtual void run() const = 0;
};
// 派生于Vehicle的具体类Car
class Car: public Vehicle
{
public:
    virtual void run() const
    {
        std::cout << "run a car/n";
    }
};
// 派生于Vehicle的具体类Airplane
class Airplane: public Vehicle
{
public:
    virtual void run() const
    {
        std::cout << "run a airplane/n";
    }
};

 

// dynamic_poly_1.cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include "dynamic_poly.h"
// 通过指针run任何vehicle
void run_vehicle(const Vehicle* vehicle)
{
    vehicle->run();            // 根据vehicle的具体类型调用对应的run()
}
int main()
{
    Car car;
    Airplane airplane;
    run_vehicle(&car);         // 调用Car::run()
    run_vehicle(&airplane);    // 调用Airplane::run()
}

 

上面的例子来自于http://www.vckbase.com/document/viewdoc/?id=948，这篇文章里面还提到了多态的一些别的例子。关于多态的文章还有孟岩写的一篇http://blog.csdn.net/wuliming_sc/archive/2009/01/31/3855906.aspx，可以看看。

在很多多态的例子中，我们都可以看到将基类的方法声明为纯虚函数（virtual void run() const = 0;），这样可以要求子类必须实现这个方法，同时可以体现面向接口编程。

对于使用了virtual之后编译器会做些什么，我觉得用代码更容易说明问题。下面的例子来自http://www.cppblog.com/zhangyq/archive/2009/06/13/87597.html。

1 编译器会为这个类的虚函数添加一个虚表，类似下面的： 
// Pseudo-code (not C++, not C) for a static table defined within file Base.cpp 
// Pretend FunctionPtr is a generic pointer to a generic member function 
// (Remember: this is pseudo-code, not C++ code) 
FunctionPtr Base::__vtable[5] = { 
   &Base::virt0, &Base::virt1, &Base::virt2, &Base::virt3, &Base::virt4 
};

2 然后增加一个指向虚表的指针为每一个类对象，这个指针是隐藏的 
// Your original C++ source code 
class Base { 
public: 
   ... 
   FunctionPtr* __vptr;  ← supplied by the compiler, hidden from the programmer 
   ... 
}; 
3 编译器在构造中初始化这个指针 
Base::Base(...arbitrary params...) 
   : __vptr(&Base::__vtable[0])  ← supplied by the compiler, hidden from the programmer 
   ... 
{ 
   ... 
} 
在派生类中，它也会增加一个隐藏的虚表，但是它可以overrides基类的虚函数如： 
// Pseudo-code (not C++, not C) for a static table defined within file Der.cpp 
// Pretend FunctionPtr is a generic pointer to a generic member function 
// (Remember: this is pseudo-code, not C++ code) 
FunctionPtr Der::__vtable[5] = { 
   &Der::virt0, &Der::virt1, &Der::virt2, &Base::virt3, &Base::virt4 
};   

从上面的代码我们可以非常容易的划出class的结构图，当然可以用/d1reportSingleClassLayout来显示class的布局图（http://blog.csdn.net/chief1985/archive/2009/10/23/4720191.aspx）。

使用virtual的地方还有虚拟继承和虚拟析构函数。

虚拟继承的例子如下，来自http://blog.csdn.net/wuliming_sc/archive/2009/01/31/3855607.aspx：

class Point2d{
public:
//...
protected:
float _x;
float _y;
};
class Vertex : public virtual Point2d{
public:
//...
protected:
Vertex *next;
};
class Point3d : public virtual Point2d{
public:
//...
protected:
float _z;
};
class Vertex3d: public Vertex, public Point3d{
public:
//...
protected:
float mumble;
};

 

使用虚拟继承一般都是出现了菱形继承（c++允许多重继承），这种情况下若不使用虚拟继承，便会导致以下情况：

1.公共基类子对象的重复创建问题。

2.成员函数的名字冲突问题

3. 数据成员的名字冲突问题