C++實現機制(三)——虛函數表

      C++中的虛函數的作用主要是實現了多態的機制。關於多態,簡而言之就是用父類型別的指針指向其子類的實例,然後通過父類的指針調用實際子類的成員函數。這種技術可以讓父類的指針有“多種形態”,這是一種泛型技術。所謂泛型技術,說白了就是試圖使用不變的代碼來實現可變的算法。比如:模板技術,RTTI技術,虛函數技術,要麼是試圖做到在編譯時決議,要麼試圖做到運行時決議。

 

      虛函數(Virtual Function)是通過一張虛函數表(Virtual Table)來實現的。簡稱爲V-Table。在這個表中,主要是一個類的虛函數的地址表,這張表解決了繼承、覆蓋的問題,保證其真實反應實際的函數。這樣,在有虛函數的類的實例中這個表被分配在了這個實例的內存中,所以,當用父類的指針來操作一個子類的時候,這張虛函數表就顯得由爲重要了,它就像一個地圖一樣,指明瞭實際所應該調用的函數。

 

                         

 

假設我們有這樣的一個類:

class Base {

public:

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

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

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

};

按照上面的說法,我們可以通過Base的實例來得到虛函數表。 下面是實際例程:

typedef void(*Fun)(void);

Base b;

Fun pFun = NULL;

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

cout << "虛函數表 — 第一個函數地址:" << (int*)*(int*)(&b) << endl;

/*這裏的一點爭議的個人看法*/

原文認爲(int*)(&b)是虛表的地址,而很多網友都說,(包括我也認爲):(int *)*(int*)(&b)纔是虛表地址

而(int*)*((int*)*(int*)(&b)); 纔是虛表第一個虛函數的地址。

其實看後面的調用pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b)); 就可以看出,*((int*)*(int*)(&b));轉成函數指針給pFun,然後正確的調用到了虛函數virtual void f()。

// Invoke the first virtual function

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

pFun();

實際運行經果如下:(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)

虛函數表地址:0012FED4

虛函數表 — 第一個函數地址:0044F148

Base::f

 

通過這個示例,我們可以看到,我們可以通過強行把&b轉成int *,取得虛函數表的地址,然後,再次取址就可以得到第一個虛函數的地址了,也就是Base::f(),這在上面的程序中得到了驗證(把int* 強制轉成了函數指針)。通過這個示例,我們就可以知道如果要調用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()

這個時候你應該懂了吧。什麼?還是有點暈。也是,這樣的代碼看着太亂了。沒問題,讓我畫個圖解釋一下。如下所示:

 

下面,我將分別說明“無覆蓋”和“有覆蓋”時的虛函數表的樣子。沒有覆蓋父類的虛函數是毫無意義的。我之所以要講述沒有覆蓋的情況,主要目的是爲了給一個對比。在比較之下,我們可以更加清楚地知道其內部的具體實現。

 

一般繼承(無虛函數覆蓋)

               

 

 

請注意,在這個繼承關係中,子類沒有重載任何父類的函數。那麼,在派生類的實例中,其虛函數表如下所示:

對於實例:Derive d; 的虛函數表如下:

 

 

 

 

 

我們可以看到下面幾點:

1)虛函數按照其聲明順序放於表中。

2)父類的虛函數在子類的虛函數前面。

我相信聰明的你一定可以參考前面的那個程序,來編寫一段程序來驗證。

一般繼承(有虛函數覆蓋)

覆蓋父類的虛函數是很顯然的事情,不然,虛函數就變得毫無意義。下面,我們來看一下,如果子類中有虛函數重載了父類的虛函數,會是一個什麼樣子?假設,我們有下面這樣的一個繼承關係。

                  

 

爲了讓大家看到被繼承過後的效果,在這個類的設計中,我只覆蓋了父類的一個函數:f()。那麼,對於派生類的實例,其虛函數表會是下面的一個樣子:

我們從表中可以看到下面幾點,

1)覆蓋的f()函數被放到了虛表中原來父類虛函數的位置。

2)沒有被覆蓋的函數依舊。

這樣,我們就可以看到對於下面這樣的程序,

Base *b = new Derive();

b->f();

由b所指的內存中的虛函數表的f()的位置已經被Derive::f()函數地址所取代,於是在實際調用發生時,是Derive::f()被調用了。這就實現了多態。

 

 

 

 

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