C++虛表，你搞懂了嗎？

前言

咱們說的虛表其實有不少種叫法：

• virtual method table（VMT）
• virtual function table(vftable)
• virtual call table
• dispatch table
• vtable

這些都是虛表的意思。虛表是一種利用程序語言實現的dynamic dispatch機制，或者說runtime method binding機制，也就是咱們說的多態。

注：筆者在本文使用C++語言，而且統一用vTable來表示虛表。

虛函數

用virtual關鍵字修飾的函數就叫虛函數。

由於vTable(虛表)是C++利用runtime來實現多態的工具，因此咱們須要藉助virtual關鍵字將函數代碼地址存入vTable來躲開靜態編譯期。這裏咱們先不深刻探究，後面我會細說。

首先咱們先來看一個沒有虛函數，即沒有用到vTable的例子：

#include <iostream> #include <ctime> using std::cout; using std::endl; struct Animal { void makeSound() { cout << "動物叫了" << endl; } }; struct Cow : public Animal { void makeSound() { cout << "牛叫了" << endl; } }; struct Pig : public Animal { void makeSound() { cout << "豬叫了" << endl; } }; struct Donkey : public Animal { void makeSound() { cout << "驢叫了" << endl; } }; int main(int argc, const char * argv[]) { srand((unsigned)time(0)); int count = 4; while (count --) { Animal *animal = nullptr; switch (rand() % 3) { case 0: animal = new Cow; break; case 1: animal = new Pig; break; case 2: animal = new Donkey; break; } animal->makeSound(); delete animal; } return 0; }

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#include <iostream> #include <ctime> using std::cout; using std::endl;   struct Animal { void makeSound() { cout << "動物叫了" << endl; } };   struct Cow : public Animal { void makeSound() { cout << "牛叫了" << endl; } }; struct Pig : public Animal { void makeSound() { cout << "豬叫了" << endl; } }; struct Donkey : public Animal { void makeSound() { cout << "驢叫了" << endl; } };   int main(int argc, const char * argv[]) {     srand((unsigned)time(0));     int count = 4;     while (count --) {         Animal *animal = nullptr;         switch (rand() % 3) {             case 0:                 animal = new Cow;                 break;             case 1:                 animal = new Pig;                 break;             case 2:                 animal = new Donkey;                 break;         }         animal->makeSound();         delete animal;     }     return 0; }

程序中有一個基類Animal，它有一個makeSound()函數。有三個繼承自Animal的子類，分別是牛、豬、驢，而且實現了本身的makeSound()方法。很簡單的代碼，是吧。

咱們運行程序，你以爲輸出結果會是什麼呢？不錯，這裏會連續執行4次Animal的makeSound()方法，結果以下：

爲何？由於咱們的基類Animal的makeSound()方法沒有使用Virtual修飾，因此在靜態編譯時就makeSound()的實現就定死了。調用makeSound()方法時，編譯器發現這是Animal指針，就會直接jump到makeSound()的代碼段地址進行調用。

ok，那麼咱們把Animal的makeSound()改成虛函數，以下：

struct Animal { virtual void makeSound() { cout << "動物叫了" << endl; } };

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struct Animal {     virtual void makeSound()         {            cout << "動物叫了" << endl;         } };

運行會是怎樣？如你所料，多態已經成功實現：

接下來就是你們最關心的部分，這是怎麼回事？編譯器到底作了什麼？

虛表

爲了說明方便，咱們須要修改一下基類Animal的代碼，不改變其餘子類，修改以下：

struct Animal { virtual void makeSound() { cout << "動物叫了" << endl; } virtual void walk() {} void sleep() {} }; struct Cow : public Animal { void makeSound() { cout << "牛叫了" << endl; } }; struct Pig : public Animal { void makeSound() { cout << "豬叫了" << endl; } }; struct Donkey : public Animal { void makeSound() { cout << "驢叫了" << endl; } };

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struct Animal {     virtual void makeSound() { cout << "動物叫了" << endl; }     virtual void walk() {}     void sleep() {} };   struct Cow : public Animal { void makeSound() { cout << "牛叫了" << endl; } }; struct Pig : public Animal { void makeSound() { cout << "豬叫了" << endl; } }; struct Donkey : public Animal { void makeSound() { cout << "驢叫了" << endl; } };

首先咱們須要知道幾個關鍵點：

1. 函數只要有virtual，咱們就須要把它添加進vTable。
2. 每一個類(而不是類實例)都有本身的虛表，所以vTable就變成了vTables。
3. 虛表存放的位置通常存放在模塊的常量段中，從始至終都只有一份。詳情可在此參考

咱們怎麼理解？從本例來看，咱們的Animal、Cow、Pig、Donkey類都有本身的虛表，而且虛表裏都有兩個地址指針指向makeSound()和walk()的函數地址。一個指針4個字節，所以每一個vTable的大小都是8個字節。如圖：

他們的虛表中記錄着不一樣函數的地址值。能夠看到Cow、Pig、Donkey重寫了makeSound()函數可是沒有重寫walk()函數。所以在調用makeSound()時，就會直接jump到本身實現的code Address。而調用walk()時，則會jump到Animal父類walk的Code Address。

虛指針

如今咱們已經知道虛表的數據結構了，那麼咱們在堆裏實例化類對象時是怎麼樣調用到相應的函數的呢？這就要藉助到虛指針了(vPointer)。

虛指針是類實例對象指向虛表的指針，存在於對象頭部,大小爲4個字節，好比咱們的Donkey類的實例化對象數據結構就以下：

咱們修改main函數裏的代碼，以下：

int main(int argc, const char * argv[]) { int count = 2; while (count --) { Animal *animal = new Donkey; animal->makeSound(); delete animal; } return 0; }

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int main(int argc, const char * argv[]) {     int count = 2;     while (count --) {         Animal *animal = new Donkey;         animal->makeSound();         delete animal;     }     return 0; }

咱們在堆中生成了兩個Donkey實例，運行結果以下：

驢叫了 驢叫了 Program ended with exit code: 0

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驢叫了 驢叫了 Program ended with exit code: 0

沒問題。而後咱們再來看看堆裏的結構，就變成了這樣：

還有什麼是這張圖不能說明的呢？