C++ 虛函數(shù)表及多態(tài)內(nèi)部原理詳解

C++ 中的虛函數(shù)的作用主要是實現(xiàn)了多態(tài)的機制。關于多態(tài)，簡而言之就是用父類型別的指針指向其子類的實例，然后通過父類的指針調(diào)用實際子類的成員函數(shù)。這種技術可以讓父類的指針有“多種形態(tài)”，這是一種泛型技術。

虛函數(shù)表

每個含有虛函數(shù)的類都有一個虛函數(shù)表（Virtual Table）來實現(xiàn)的。簡稱為V-Table。C++的編譯器應該是保證虛函數(shù)表的指針存在于對象實例中最前面的位置（這是為了保證取到虛函數(shù)表的有最高的性能——如果有多層繼承或是多重繼承的情況下）。這意味著我們通過對象實例的地址得到這張?zhí)摵瘮?shù)表，然后就可以遍歷其中函數(shù)指針，并調(diào)用相應的函數(shù)。

1、 每一個類都有虛函數(shù)列表。

2、 虛表可以繼承，如果子類沒有重寫虛函數(shù)，那么子類虛表中仍然會有該函數(shù)的地址，只不過這個地址指向的是基類的虛函數(shù)實現(xiàn)。如果基類3個虛函數(shù)，那么基類的虛表中就有三項（虛函數(shù)地址），派生類也會有虛表，至少有三項，如果重寫了相應的虛函數(shù)，那么虛表中的地址就會改變，指向自身的虛函數(shù)實現(xiàn)。如果派生類有自己的虛函數(shù)，那么虛表中就會添加該項。

3、 派生類的虛表中虛函數(shù)地址的排列順序和基類的虛表中虛函數(shù)地址排列順序相同，子類獨有的虛函數(shù)放在后面。

當定義一個有虛函數(shù)類的對象時，對象的第一塊的內(nèi)存空間就是一個指向虛函數(shù)列表的指針。

在這舉個例子

假設我們有這樣的一個類：

由于例程的操作環(huán)境是64位系統(tǒng)，所以用long*強轉(zhuǎn)。其中(long*)(&b)就是虛函數(shù)表地址，(long*)*(long*)(&b)就是第一個函數(shù)地址，代碼運行結果如下：

在程序中取出對象b的地址，根據(jù)對象的布局可以得出就是虛表的地址，根據(jù)這個地址可以把虛表的第一個內(nèi)存單元的內(nèi)容取出，然后強制轉(zhuǎn)換成一個函數(shù)指針，利用這個函數(shù)指針來訪問虛函數(shù)。又因為虛表是連續(xù)的，利用每次+1可以來訪問下一個內(nèi)存單元。

如果對代碼不理解的話，可以看這幅圖就會懂了

注意：虛函數(shù)表在最后會有一個結束標志，為1說明還有虛表，為0表示沒有虛表了 。（編譯器不同，結束標志可能存在差異）

下面，將分別具體說明“無虛函數(shù)覆蓋”和“有虛函數(shù)覆蓋”時的虛函數(shù)表的情況。

（一）無虛函數(shù)覆蓋

沒有任何的繼承，虛函數(shù)表如下圖

根據(jù)示意圖，編寫的代碼如下圖所示：

和上一個程序一樣，根據(jù)取出虛表里面的地址強制轉(zhuǎn)換成函數(shù)指針，同樣，利用虛表的連續(xù)性，每次指針+1調(diào)用對應的虛函數(shù)。可以得出虛函數(shù)按照其聲明順序存放于虛函數(shù)表中的，子類自己的虛函數(shù)是排在父類虛函數(shù)之后的。運行結果如下圖

（二）一般繼承（有虛函數(shù)覆蓋）

如果子類中有虛函數(shù)重載了父類的虛函數(shù)，會是一個什么樣子？假設，我們有下面這樣的一個繼承關系。如圖所示：

在這個類的設計中，只覆蓋了父類的一個函數(shù)：f()。那么，對于派生類的實例，其虛函數(shù)表會是下面的一個樣子：

從表中可以看到下面幾點，

1）覆蓋的f()函數(shù)被放到了虛表中原來父類虛函數(shù)的位置。

2）沒有被覆蓋的函數(shù)依舊。

這樣就會出現(xiàn)虛調(diào)用

Base *b = new Derive();

b->f();

由b所指的內(nèi)存中的虛函數(shù)表的f()的位置已經(jīng)被Derive::f()函數(shù)地址所取代，于是在實際調(diào)用發(fā)生時，是Derive::f()被調(diào)用了。這就實現(xiàn)了多態(tài)。下面我們用一個示例代碼來看一下

運行結果如下,確實如我們以上分析的那樣，由b所指的內(nèi)存中的虛函數(shù)表的f()的位置已經(jīng)被Derive::f()函數(shù)地址所取代：

（三）多重繼承（無虛函數(shù)覆蓋）

下面我們再看看多重繼承的情況

對于子類實例中的虛函數(shù)表，是下面這個樣子：

從圖上我們可以看到

1）每個父類都有自己的虛表。

2） 子類的成員函數(shù)被放到了第一個父類的表中。（所謂的第一個父類是按照聲明順序來判斷的）

這樣做就是為了解決不同的父類類型的指針指向同一個子類實例，而能夠調(diào)用到實際的函數(shù)。

下面我們根據(jù)上圖來實現(xiàn)一下

運行結果如下：

在這個程序中，子類有多個父類，因此從每個父類都繼承了一個虛表，因此會有3個虛表，根據(jù)代碼和運行結果會發(fā)現(xiàn)，排列的順序和繼承的順序一樣，子類自己的虛函數(shù)排在第一個虛表的后面。程序中沒有改寫虛函數(shù) ，因此沒有覆蓋。同時主函數(shù)中應用的是一個二重指針，利用二維數(shù)組取每個虛函數(shù)地址。

（四）多重繼承（有虛函數(shù)覆蓋）

下面我們再來看看，如果發(fā)生虛函數(shù)覆蓋的情況。

下圖中，我們在子類中覆蓋了父類的f()函數(shù)。

子類虛函數(shù)列表如圖所示

三個父類虛函數(shù)表中的f()的位置被替換成了子類的函數(shù)指針。這樣，我們就可以任一靜態(tài)類型的父類來指向子類，并調(diào)用子類的f()了。

子類虛函數(shù)列表訪問代碼如下：

程序運行結果如下所示：

本程序中，子類重寫了f函數(shù)，把所有父類里面的f函數(shù)都屏蔽了。在虛表中父類f函數(shù)的位置全部換成了子類f函數(shù)的地址。因此在輸出時父類的f函數(shù)沒有了，全部是子類f函數(shù)的輸出。