C++ 虛函數(shù)表剖析

一、概述

為了實(shí)現(xiàn)C++的多態(tài)，C++使用了一種動(dòng)態(tài)綁定的技術(shù)。這個(gè)技術(shù)的核心是虛函數(shù)表（下文簡(jiǎn)稱虛表）。本文介紹虛函數(shù)表是如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)綁定的。

二、類的虛表

每個(gè)包含了虛函數(shù)的類都包含一個(gè)虛表。

我們知道，當(dāng)一個(gè)類（A）繼承另一個(gè)類（B）時(shí)，類A會(huì)繼承類B的函數(shù)的調(diào)用權(quán)。所以如果一個(gè)基類包含了虛函數(shù)，那么其繼承類也可調(diào)用這些虛函數(shù)，換句話說(shuō)，一個(gè)類繼承了包含虛函數(shù)的基類，那么這個(gè)類也擁有自己的虛表。

我們來(lái)看以下的代碼。類A包含虛函數(shù)vfunc1，vfunc2，由于類A包含虛函數(shù)，故類A擁有一個(gè)虛表。

class A {
public:  
    virtual void vfunc1();  
    virtual void vfunc2(); 
    void func1();  
    void func2();
private:  
    int m_data1, m_data2;  
};

類A的虛表如圖1所示。

虛表是一個(gè)指針數(shù)組，其元素是虛函數(shù)的指針，每個(gè)元素對(duì)應(yīng)一個(gè)虛函數(shù)的函數(shù)指針。需要指出的是，普通的函數(shù)即非虛函數(shù)，其調(diào)用并不需要經(jīng)過(guò)虛表，所以虛表的元素并不包括普通函數(shù)的函數(shù)指針。

虛表內(nèi)的條目，即虛函數(shù)指針的賦值發(fā)生在編譯器的編譯階段，也就是說(shuō)在代碼的編譯階段，虛表就可以構(gòu)造出來(lái)了。

三、虛表指針

虛表是屬于類的，而不是屬于某個(gè)具體的對(duì)象，一個(gè)類只需要一個(gè)虛表即可。同一個(gè)類的所有對(duì)象都使用同一個(gè)虛表。

為了指定對(duì)象的虛表，對(duì)象內(nèi)部包含一個(gè)虛表的指針，來(lái)指向自己所使用的虛表。為了讓每個(gè)包含虛表的類的對(duì)象都擁有一個(gè)虛表指針，編譯器在類中添加了一個(gè)指針，*__vptr，用來(lái)指向虛表。這樣，當(dāng)類的對(duì)象在創(chuàng)建時(shí)便擁有了這個(gè)指針，且這個(gè)指針的值會(huì)自動(dòng)被設(shè)置為指向類的虛表。

上面指出，一個(gè)繼承類的基類如果包含虛函數(shù)，那個(gè)這個(gè)繼承類也有擁有自己的虛表，故這個(gè)繼承類的對(duì)象也包含一個(gè)虛表指針，用來(lái)指向它的虛表。

四、動(dòng)態(tài)綁定

說(shuō)到這里，大家一定會(huì)好奇C++是如何利用虛表和虛表指針來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)綁定的。我們先看下面的代碼。

class A {
public:   
    virtual void vfunc1();  
    virtual void vfunc2();  
    void func1();   
    void func2();
private:  
    int m_data1, m_data2;  
};
class B : public A {
public: 
    virtual void vfunc1();   
    void func1();
private:  
    int m_data3;  
};
class C: public B {
public:  
    virtual void vfunc2();  
    void func2();
private:  
    int m_data1, m_data4;  
};

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(duì)象模型如下圖3所示。

由于這三個(gè)類都有虛函數(shù)，故編譯器為每個(gè)類都創(chuàng)建了一個(gè)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(duì)象都擁有一個(gè)虛表指針，*__vptr，用來(lái)指向自己所屬類的虛表。

類A包括兩個(gè)虛函數(shù)，故A vtbl包含兩個(gè)指針，分別指向A::vfunc1()和A::vfunc2()。

類B繼承于類A，故類B可以調(diào)用類A的函數(shù)，但由于類B重寫(xiě)了B::vfunc1()函數(shù)，故B vtbl的兩個(gè)指針?lè)謩e指向B::vfunc1()和A::vfunc2()。

類C繼承于類B，故類C可以調(diào)用類B的函數(shù)，但由于類C重寫(xiě)了C::vfunc2()函數(shù)，故C vtbl的兩個(gè)指針?lè)謩e指向B::vfunc1()（指向繼承的最近的一個(gè)類的函數(shù)）和C::vfunc2()。

雖然圖3看起來(lái)有點(diǎn)復(fù)雜，但是只要抓住“對(duì)象的虛表指針用來(lái)指向自己所屬類的虛表，虛表中的指針會(huì)指向其繼承的最近的一個(gè)類的虛函數(shù)”這個(gè)特點(diǎn)，便可以快速將這幾個(gè)類的對(duì)象模型在自己的腦海中描繪出來(lái)。

非虛函數(shù)的調(diào)用不用經(jīng)過(guò)虛表，故不需要虛表中的指針指向這些函數(shù)。

假設(shè)我們定義一個(gè)類B的對(duì)象bObject。由于bObject是類B的一個(gè)對(duì)象，故bObject包含一個(gè)虛表指針，指向類B的虛表。

int main() {  
    B bObject;  
}

現(xiàn)在，我們聲明一個(gè)類A的指針p來(lái)指向?qū)ο?code style="font-size: 14px;font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;overflow-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;color: rgb(233, 105, 0);background: rgb(248, 248, 248);">bObject。雖然p是基類的指針只能指向基類的部分，但是虛表指針亦屬于基類部分，所以p可以訪問(wèn)到對(duì)象bObject的虛表指針。bObject的虛表指針指向類B的虛表，所以p可以訪問(wèn)到B vtbl。如圖3所示。

int main()   
{   
    B bObject;   
    A *p = & bObject;  
}

當(dāng)我們使用p來(lái)調(diào)用vfunc1()函數(shù)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？

int main()
{  
    B bObject;  
    A *p = & bObject;  
    p->vfunc1();  
}

程序在執(zhí)行p->vfunc1()時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)p是個(gè)指針，且調(diào)用的函數(shù)是虛函數(shù)，接下來(lái)便會(huì)進(jìn)行以下的步驟。

首先，根據(jù)虛表指針p->__vptr來(lái)訪問(wèn)對(duì)象bObject對(duì)應(yīng)的虛表。雖然指針p是基類A*類型，但是*__vptr也是基類的一部分，所以可以通過(guò)p->__vptr可以訪問(wèn)到對(duì)象對(duì)應(yīng)的虛表。

然后，在虛表中查找所調(diào)用的函數(shù)對(duì)應(yīng)的條目。由于虛表在編譯階段就可以構(gòu)造出來(lái)了，所以可以根據(jù)所調(diào)用的函數(shù)定位到虛表中的對(duì)應(yīng)條目。對(duì)于p->vfunc1()的調(diào)用，B vtbl的第一項(xiàng)即是vfunc1對(duì)應(yīng)的條目。

最后，根據(jù)虛表中找到的函數(shù)指針，調(diào)用函數(shù)。從圖3可以看到，B vtbl的第一項(xiàng)指向B::vfunc1()，所以p->vfunc1()實(shí)質(zhì)會(huì)調(diào)用B::vfunc1()函數(shù)。

如果p指向類A的對(duì)象，情況又是怎么樣？

int main() 
{  
    A aObject;  
    A *p = &aObject;  
    p->vfunc1();  
}

當(dāng)aObject在創(chuàng)建時(shí)，它的虛表指針__vptr已設(shè)置為指向A vtbl，這樣p->__vptr就指向A vtbl。vfunc1在A vtbl對(duì)應(yīng)在條目指向了A::vfunc1()函數(shù)，所以p->vfunc1()實(shí)質(zhì)會(huì)調(diào)用A::vfunc1()函數(shù)。

可以把以上三個(gè)調(diào)用函數(shù)的步驟用以下表達(dá)式來(lái)表示：

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

可以看到，通過(guò)使用這些虛函數(shù)表，即使使用的是基類的指針來(lái)調(diào)用函數(shù)，也可以達(dá)到正確調(diào)用運(yùn)行中實(shí)際對(duì)象的虛函數(shù)。

我們把經(jīng)過(guò)虛表調(diào)用虛函數(shù)的過(guò)程稱為動(dòng)態(tài)綁定，其表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象稱為運(yùn)行時(shí)多態(tài)。動(dòng)態(tài)綁定區(qū)別于傳統(tǒng)的函數(shù)調(diào)用，傳統(tǒng)的函數(shù)調(diào)用我們稱之為靜態(tài)綁定，即函數(shù)的調(diào)用在編譯階段就可以確定下來(lái)了。

那么，什么時(shí)候會(huì)執(zhí)行函數(shù)的動(dòng)態(tài)綁定？這需要符合以下三個(gè)條件。

• 通過(guò)指針來(lái)調(diào)用函數(shù)

• 指針upcast向上轉(zhuǎn)型（繼承類向基類的轉(zhuǎn)換稱為upcast，關(guān)于什么是upcast，可以參考本文的參考資料）

• 調(diào)用的是虛函數(shù)

如果一個(gè)函數(shù)調(diào)用符合以上三個(gè)條件，編譯器就會(huì)把該函數(shù)調(diào)用編譯成動(dòng)態(tài)綁定，其函數(shù)的調(diào)用過(guò)程走的是上述通過(guò)虛表的機(jī)制。

五、總結(jié)

封裝，繼承，多態(tài)是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的三個(gè)特征，而多態(tài)可以說(shuō)是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的關(guān)鍵。C++通過(guò)虛函數(shù)表，實(shí)現(xiàn)了虛函數(shù)與對(duì)象的動(dòng)態(tài)綁定，從而構(gòu)建了C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的基石。

參考資料

• 《C++ Primer》第三版，中文版，潘愛(ài)民等譯

• http://www.learncpp.com/cpp-tutorial/125-the-virtual-table/

• 侯捷《C++最佳編程實(shí)踐》視頻，極客班，2015

• Upcasting and Downcasting, http://www.bogotobogo.com/cplusplus/upcasting_downcasting.php