C++中虛函數的原理和虛函數表

一， 什麼是虛函數

簡單地說，那些被virtual關鍵字修飾的成員函數，就是虛函數。虛函數的做用，用專業術語來解釋就是實現多態性（Polymorphism），多態性是將接口與實現進行分離；用形象的語言來解釋就是實現以共同的方法，但因個體差別而採用不一樣的策略，虛函數是C++的多態性的主要體現，指向基類的指針在操做它的多態類對象時，會根據不一樣的類對象，調用其相應的函數，這個函數就是虛函數。

下面咱們從這段代碼中來進行分析：

 

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#include<iostream> using namespace std; class A{ public: A(); void fun1(); void fun2(); }; A::A() { } void A::fun1() { cout<<"I am in class A fun1"<<endl; } void A::fun2() { cout<<"I am in class A fun2"<<endl; } class B:public A { public: B(); void fun1(); //默認的從父類繼承來，就是虛函數 void fun2(); }; void B::fun1() { cout<<"I am in class B fun1"<<endl; } void B::fun2() { cout<<"I am in class B fun2"<<endl; } B::B() { } void main() { A a; B b; cout<<"a.fun1() : "<<endl; a.fun1(); cout<<"a.fun2() : "<<endl; a.fun2(); cout<<"b.fun1() : "<<endl; b.fun1(); cout<<"b.fun2() : "<<endl; b.fun2(); }

運行結果很簡單

I am in class A fun1

I am in class A fun2

I am in class B fun1

I am in class B fun2

但這是否真正作到了多態性呢？No，多態還有個關鍵之處就是一切用指向基類的指針或引用來操做對象。那如今就把main()處的代碼改一改。

#include<iostream> using namespace std; class A{ public: A(); void fun1(); void fun2(); }; A::A() { } void A::fun1() { cout<<"I am in class A fun1"<<endl; } void A::fun2() { cout<<"I am in class A fun2"<<endl; } class B:public A { public: B(); void fun1(); void fun2(); }; void B::fun1() { cout<<"I am in class B fun1"<<endl; } void B::fun2() { cout<<"I am in class B fun2"<<endl; } B::B() { } void main() { A a; B b; A *ptr; ptr=&a; cout<<"ptr=&a; prt->fun1(): "<<endl; ptr->fun1(); cout<<"ptr=&a; prt->fun2(): "<<endl; ptr->fun2(); ptr=&b; cout<<"ptr=&b; prt->fun1(): "<<endl; ptr->fun1(); cout<<"ptr=&b; prt->fun2(): "<<endl; ptr->fun2(); }

此次的運行結果

I am in class A fun1

I am in class A fun2

I am in class A fun1

I am in class A fun2

問題來了，ptr明明指向的B的對象，爲何調用的倒是A的函數呢？要解決這個問題，就要用到了虛函數，咱們在修改函數

#include<iostream> using namespace std; class A{ public: A(); virtual void fun1(); void fun2(); }; A::A() { } void A::fun1() { cout<<"I am in class A fun1"<<endl; } void A::fun2() { cout<<"I am in class A fun2"<<endl; } class B:public A { public: B(); virtual void fun1(); //默認的從父類繼承來，就是虛函數 void fun2(); }; void B::fun1() { cout<<"I am in class B fun1"<<endl; } void B::fun2() { cout<<"I am in class B fun2"<<endl; } B::B() { } void main() { A a; B b; A *ptr; ptr=&a; cout<<"ptr=&a; prt->fun1(): "<<endl; ptr->fun1(); cout<<"ptr=&a; prt->fun2(): "<<endl; ptr->fun2(); ptr=&b; cout<<"ptr=&b; prt->fun1(): "<<endl; ptr->fun1(); cout<<"ptr=&b; prt->fun2(): "<<endl; ptr->fun2();

這時候咱們發現運行結果變了

I am in class A fun1

I am in class A fun2

I am in class B fun1

I am in class A fun2

由於fun1是虛函數，B類繼承A類的fun1默認也是虛函數，簡單總結下，指向基類的指針在操做它的多態類對象時，會根據不一樣的類對象，調用其相應的函數，這個函數就是虛函數。

fun2不是虛函數，因此調用的仍舊是A類的fun2函數

二， 虛函數是如何作到的

虛函數是如何作到因對象的不一樣而調用其相應的函數的呢？如今咱們就來剖析虛函數

class A{ 　　public: 　　virtual void fun(){cout<<1<<endl;} 　　 virtual void fun2(){cout<<2<<endl;} 　　 }; 　　 class B:public A{ 　　public: 　　void fun(){cout<<3<<endl;} 　　void fun2(){cout<<4<<endl;} 　　 };

因爲這兩個類中有虛函數存在，因此編譯器就會爲他們兩個分別插入一段你不知道的數據，併爲他們分別建立一個表。那段數據叫作vptr指針，指向那個表。那個表叫作vtbl，每一個類都有本身的vtbl，vtbl的做用就是保存本身類中虛函數的地址，咱們能夠把vtbl形象地當作一個數組，這個數組的每一個元素存放的就是虛函數的地址，請看圖

能夠看到這兩個vtbl分別爲class A和class B服務。如今有了這個模型以後，咱們來分析下面的代碼

A *p=new A;

　　p->fun();

毫無疑問，調用了A::fun()，可是A::fun()是如何被調用的呢？它像普通函數那樣直接跳轉到函數的代碼處嗎？No，實際上是這樣的，首先是取出vptr的值，這個值就是vtbl的地址，再根據這個值來到vtbl這裏，因爲調用的函數A::fun()是第一個虛函數，因此取出vtbl第一個slot裏的值，這個值就是A::fun()的地址了，最後調用這個函數。如今咱們能夠看出來了，只要vptr不一樣，指向的vtbl就不一樣，而不一樣的vtbl裏裝着對應類的虛函數地址，因此這樣虛函數就能夠完成它的任務。

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而對於class A和class B來講，他們的vptr指針存放在何處呢？其實這個指針就放在他們各自的實例對象裏。因爲class A和class B都沒有數據成員，因此他們的實例對象裏就只有一個vptr指針。經過上面的分析，如今咱們來實做一段代碼，來描述這個帶有虛函數的類的簡單模型

#include<iostream> 　　 using namespace std; 　　 //將上面「虛函數示例代碼」添加在這裏 　　 int main(){ 　　void (*fun)(A*); 　　A *p=new B; 　　long lVptrAddr; 　　memcpy(&lVptrAddr,p,4); 　　memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4); 　　 fun(p); 　　delete p; 　　system("pause"); 　　 }

用VC或Dev-C++編譯運行一下，看看結果是否是輸出3，void (*fun)(A*); 這段定義了一個函數指針名字叫作fun，並且有一個A*類型的參數，這個函數指針待會兒用來保存從vtbl裏取出的函數地址

A* p=new B; new B是向內存(內存分5個區:全局名字空間,自由存儲區,寄存器,代碼空間,棧)自由存儲區申請一個內存單元的地址而後隱式地保存在一個指針中.而後把這個地址附值給A類型的指針P.

long lVptrAddr; 這個long類型的變量待會兒用來保存vptr的值

memcpy(&lVptrAddr,p,4); 前面說了，他們的實例對象裏只有vptr指針，因此咱們就放心大膽地把p所指的4bytes內存裏的東西複製到lVptrAddr中，因此複製出來的4bytes內容就是vptr的值，即vtbl的地址

如今有了vtbl的地址了，那麼咱們如今就取出vtbl第一個slot裏的內容

memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr),4); 取出vtbl第一個slot裏的內容，並存放在函數指針fun裏。須要注意的是lVptrAddr裏面是vtbl的地址，但lVptrAddr不是指針，因此咱們要把它先轉變成指針類型

fun(p); 這裏就調用了剛纔取出的函數地址裏的函數，也就是調用了B::fun()這個函數，也許你發現了爲何會有參數p,其實類成員函數調用時，會有個this指針，這個p就是那個this指針，只是在通常的調用中編譯器自動幫你處理了而已，而在這裏則須要本身處理。

delete p; 釋放由p指向的自由空間;

若是調用B::fun2()怎麼辦？那就取出vtbl的第二個slot裏的值就好了

memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr+4),4); 爲何是加4呢？由於一個指針的長度是4bytes，因此加4。或者memcpy(&fun,reinterpret_cast<long*>(lVptrAddr)+1,4); 這更符合數組的用法，由於lVptrAddr被轉成了long*型別，因此+1就是日後移sizeof(long)的長度

 

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虛函數表

 

類的虛函數表是一塊連續的內存，每一個內存單元中記錄一個JMP指令的地址

　　注意的是，編譯器會爲每一個有虛函數的類建立一個虛函數表，該虛函數表將被該類的全部對象共享。類的每一個虛成員佔據虛函數表中的一行。若是類中有N個虛函數，那麼其虛函數表將有N*4字節的大小。

　　虛函數（Virtual Function）是經過一張虛函數表（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，因此，當用父類的指針來操做一個子類的時候，這張虛函數表就顯得由爲重要了，它就像一個地圖同樣，指明瞭實際所應該調用的函數。

　　編譯器應該是保證虛函數表的指針存在於對象實例中最前面的位置（這是爲了保證取到虛函數表的有最高的性能——若是有多層繼承或是多重繼承的狀況下）。 這意味着能夠經過對象實例的地址獲得這張虛函數表，而後就能夠遍歷其中函數指針，並調用相應的函數。