虛函數表詳解

1、概述

爲了實現C++的多態，C++使用了一種動態綁定的技術。這個技術的核心是虛函數表（下文簡稱虛表）。本文介紹虛函數表是如何實現動態綁定的。

2、類的虛表

每一個包含了虛函數的類都包含一個虛表。 
咱們知道，當一個類（A）繼承另外一個類（B）時，類A會繼承類B的函數的調用權。因此若是一個基類包含了虛函數，那麼其繼承類也可調用這些虛函數，換句話說，一個類繼承了包含虛函數的基類，那麼這個類也擁有本身的虛表。

咱們來看如下的代碼。類A包含虛函數vfunc1，vfunc2，因爲類A包含虛函數，故類A擁有一個虛表。

1. class A {

2. public:

3. virtual void vfunc1();

4. virtual void vfunc2();

5. void func1();

6. void func2();

7. private:

8. int m_data1, m_data2;

9. };

類A的虛表如圖1所示。 
 
圖1：類A的虛表示意圖

虛表是一個指針數組，其元素是虛函數的指針，每一個元素對應一個虛函數的函數指針。須要指出的是，普通的函數即非虛函數，其調用並不須要通過虛表，因此虛表的元素並不包括普通函數的函數指針。 
虛表內的條目，即虛函數指針的賦值發生在編譯器的編譯階段，也就是說在代碼的編譯階段，虛表就能夠構造出來了。

3、虛表指針

虛表是屬於類的，而不是屬於某個具體的對象，一個類只須要一個虛表便可。同一個類的全部對象都使用同一個虛表。 
爲了指定對象的虛表，對象內部包含一個虛表的指針，來指向本身所使用的虛表。爲了讓每一個包含虛表的類的對象都擁有一個虛表指針，編譯器在類中添加了一個指針，*__vptr，用來指向虛表。這樣，當類的對象在建立時便擁有了這個指針，且這個指針的值會自動被設置爲指向類的虛表。

圖2：對象與它的虛表

上面指出，一個繼承類的基類若是包含虛函數，那個這個繼承類也有擁有本身的虛表，故這個繼承類的對象也包含一個虛表指針，用來指向它的虛表。

4、動態綁定

說到這裏，你們必定會好奇C++是如何利用虛表和虛表指針來實現動態綁定的。咱們先看下面的代碼。

1. class A {

2. public:

3. virtual void vfunc1();

4. virtual void vfunc2();

5. void func1();

6. void func2();

7. private:

8. int m_data1, m_data2;

9. };

10.  

11. class B : public A {

12. public:

13. virtual void vfunc1();

14. void func1();

15. private:

16. int m_data3;

17. };

18.  

19. class C: public B {

20. public:

21. virtual void vfunc2();

22. void func2();

23. private:

24. int m_data1, m_data4;

25. };

類A是基類，類B繼承類A，類C又繼承類B。類A，類B，類C，其對象模型以下圖3所示。

圖3：類A，類B，類C的對象模型

因爲這三個類都有虛函數，故編譯器爲每一個類都建立了一個虛表，即類A的虛表（A vtbl），類B的虛表（B vtbl），類C的虛表（C vtbl）。類A，類B，類C的對象都擁有一個虛表指針，*__vptr，用來指向本身所屬類的虛表。 
類A包括兩個虛函數，故A vtbl包含兩個指針，分別指向A::vfunc1()和A::vfunc2()。 
類B繼承於類A，故類B能夠調用類A的函數，但因爲類B重寫了B::vfunc1()函數，故B vtbl的兩個指針分別指向B::vfunc1()和A::vfunc2()。 
類C繼承於類B，故類C能夠調用類B的函數，但因爲類C重寫了C::vfunc2()函數，故C vtbl的兩個指針分別指向B::vfunc1()（指向繼承的最近的一個類的函數）和C::vfunc2()。 
雖然圖3看起來有點複雜，可是隻要抓住「對象的虛表指針用來指向本身所屬類的虛表，虛表中的指針會指向其繼承的最近的一個類的虛函數」這個特色，即可以快速將這幾個類的對象模型在本身的腦海中描繪出來。

非虛函數的調用不用通過虛表，故不須要虛表中的指針指向這些函數。

假設咱們定義一個類B的對象。因爲bObject是類B的一個對象，故bObject包含一個虛表指針，指向類B的虛表。

1. int main()

2. {

3. B bObject;

4. }

• 如今，咱們聲明一個類A的指針p來指向對象bObject。雖然p是基類的指針只能指向基類的部分，可是虛表指針亦屬於基類部分，因此p能夠訪問到對象bObject的虛表指針。bObject的虛表指針指向類B的虛表，因此p能夠訪問到B vtbl。如圖3所示。

1. int main()

2. {

3. B bObject;

4. A *p = & bObject;

5. }

• 當咱們使用p來調用vfunc1()函數時，會發生什麼現象？

1. int main()

2. {

3. B bObject;

4. A *p = & bObject;

5. p->vfunc1();

6. }

程序在執行p->vfunc1()時，會發現p是個指針，且調用的函數是虛函數，接下來便會進行如下的步驟。 
首先，根據虛表指針p->__vptr來訪問對象bObject對應的虛表。雖然指針p是基類A*類型，可是*__vptr也是基類的一部分，因此能夠經過p->__vptr能夠訪問到對象對應的虛表。 
而後，在虛表中查找所調用的函數對應的條目。因爲虛表在編譯階段就能夠構造出來了，因此能夠根據所調用的函數定位到虛表中的對應條目。對於 p->vfunc1()的調用，B vtbl的第一項便是vfunc1對應的條目。 
最後，根據虛表中找到的函數指針，調用函數。從圖3能夠看到，B vtbl的第一項指向B::vfunc1()，因此 p->vfunc1()實質會調用B::vfunc1()函數。

若是p指向類A的對象，狀況又是怎麼樣？

1. int main()

2. {

3. A aObject;

4. A *p = &aObject;

5. p->vfunc1();

6. }

當aObject在建立時，它的虛表指針__vptr已設置爲指向A vtbl，這樣p->__vptr就指向A vtbl。vfunc1在A vtbl對應在條目指向了A::vfunc1()函數，因此 p->vfunc1()實質會調用A::vfunc1()函數。

能夠把以上三個調用函數的步驟用如下表達式來表示：

(*(p->__vptr)[n])(p)

能夠看到，經過使用這些虛函數表，即便使用的是基類的指針來調用函數，也能夠達到正確調用運行中實際對象的虛函數。 
咱們把通過虛表調用虛函數的過程稱爲動態綁定，其表現出來的現象稱爲運行時多態。動態綁定區別於傳統的函數調用，傳統的函數調用咱們稱之爲靜態綁定，即函數的調用在編譯階段就能夠肯定下來了。

那麼，何時會執行函數的動態綁定？這須要符合如下三個條件。

• 經過指針來調用函數
• 指針upcast向上轉型（繼承類向基類的轉換稱爲upcast，關於什麼是upcast，能夠參考本文的參考資料）
• 調用的是虛函數

若是一個函數調用符合以上三個條件，編譯器就會把該函數調用編譯成動態綁定，其函數的調用過程走的是上述經過虛表的機制。

5、總結

封裝，繼承，多態是面向對象設計的三個特徵，而多態能夠說是面向對象設計的關鍵。C++經過虛函數表，實現了虛函數與對象的動態綁定，從而構建了C++面向對象程序設計的基石。