C/C++雜記：虛函數的實現的基本原理

1. 概述

簡單地說，每個含有虛函數（不管是其自己的，仍是繼承而來的）的類都至少有一個與之對應的虛函數表，其中存放着該類全部的虛函數對應的函數指針。例：

其中：

• B的虛函數表中存放着B::foo和B::bar兩個函數指針。
• D的虛函數表中存放的既有繼承自B的虛函數B::foo，又有重寫（override）了基類虛函數B::bar的D::bar，還有新增的虛函數D::quz。

提示：爲了描述方便，本文在探討對象內存佈局時，將忽略內存對齊對佈局的影響。

2. 虛函數表構造過程

從編譯器的角度來講，B的虛函數表很好構造，D的虛函數表構造過程相對複雜。下面給出了構造D的虛函數表的一種方式（僅供參考）：

提示：該過程是由編譯器完成的，所以也能夠說：虛函數替換過程發生在編譯時。

3. 虛函數調用過程

如下面的程序爲例：

編譯器只知道pb是B*類型的指針，並不知道它指向的具體對象類型 ：pb可能指向的是B的對象，也可能指向的是D的對象。

但對於「pb->bar()」，編譯時可以肯定的是：此處operator->的另外一個參數是B::bar（由於pb是B*類型的，編譯器認爲bar是B::bar），而B::bar和D::bar在各自虛函數表中的偏移位置是相等的。

不管pb指向哪一種類型的對象，只要可以肯定被調函數在虛函數中的偏移值，待運行時，可以肯定具體類型，並能找到相應vptr了，就能找出真正應該調用的函數。

提示：本人曾在「C/C++雜記：深刻理解數據成員指針、函數成員指針」一文中提到：虛函數指針中的ptr部分爲虛函數表中的偏移值（以字節爲單位）加1。

B::bar是一個虛函數指針， 它的ptr部份內容爲9，它在B的虛函數表中的偏移值爲8（8+1=9）。

當程序執行到「pb->bar()」時，已經可以判斷pb指向的具體類型了：

• 若是pb指向B的對象，能夠獲取到B對象的vptr，加上偏移值8（(char*)vptr + 8），能夠找到B::bar。
• 若是pb指向D的對象，能夠獲取到D對象的vptr，加上偏移值8（(char*)vptr + 8） ，能夠找到D::bar。
• 若是pb指向其它類型對象...同理...

4. 多重繼承

當一個類繼承多個類，且多個基類都有虛函數時，子類對象中將包含多個虛函數表的指針（即多個vptr），例：

其中：D自身的虛函數與B基類共用了同一個虛函數表，所以也稱B爲D的主基類（primary base class）。

虛函數替換過程與前面描述相似，只是多了一個虛函數表，多了一次拷貝和替換的過程。

虛函數的調用過程，與前面描述基本相似，區別在於基類指針指向的位置可能不是派生類對象的起始位置，以以下面的程序爲例：

5. 菱形繼承

本文不討論菱形繼承的情形，我的以爲：菱形繼承的複雜度遠大於它的使用價值，這也是C++讓人又愛又恨的緣由之一。

若是想要深刻研究，能夠參考：Itanium C++ ABI。