C++虚函数表解析

小鱼儿 2022-07-12 07:15 159阅读 0赞

文章来源：[http://www.cppblog.com/xczhang/archive/2008/01/20/41508.html][http_www.cppblog.com_xczhang_archive_2008_01_20_41508.html]

C++中的虚函数的作用主要是实现了多态的机制。关于多态，简而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用实际子类的成员函数。这种技术可以让父类的指针有“多种形态”，这是一种泛型技术。所谓泛型技术，说白了就是试图使用不变的代码来实现可变的算法。比如：模板技术，RTTI技术，虚函数技术，要么是试图做到在编译时决议，要么试图做到运行时决议。

关于虚函数的使用方法，我在这里不做过多的阐述。大家可以看看相关的C++的书籍。在这篇文章中，我只想从虚函数的实现机制上面为大家 一个清晰的剖析。

当然，相同的文章在网上也出现过一些了，但我总感觉这些文章不是很容易阅读，大段大段的代码，没有图片，没有详细的说明，没有比较，没有举一反三。不利于学习和阅读，所以这是我想写下这篇文章的原因。也希望大家多给我提意见。

言归正传，让我们一起进入虚函数的世界。

### 虚函数表 ###

对C++ 了解的人都应该知道虚函数（Virtual Function）是通过一张虚函数表（Virtual Table）来实现的。简称为V-Table。 在这个表中，主是要一个类的虚函数的地址表，这张表解决了继承、覆盖的问题，保证其容真实反应实际的函数。这样，在有虚函数的类的实例中这个表被分配在了 这个实例的内存中，所以，当我们用父类的指针来操作一个子类的时候，这张虚函数表就显得由为重要了，它就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。

这里我们着重看一下这张虚函数表。在C++的标准规格说明书中说到，编译器必需要保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置（这是为了保证正确取到虚函数的偏移量）。 这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表，然后就可以遍历其中函数指针，并调用相应的函数。

听我扯了那么多，我可以感觉出来你现在可能比以前更加晕头转向了。 没关系，下面就是实际的例子，相信聪明的你一看就明白了。

假设我们有这样的一个类：

class Base \{

public:

virtual void f() \{ cout << "Base::f" << endl; \}

virtual void g() \{ cout << "Base::g" << endl; \}

virtual void h() \{ cout << "Base::h" << endl; \}

\};

按照上面的说法，我们可以通过Base的实例来得到虚函数表。 下面是实际例程：

typedef void(\*Fun)(void);

Base b;

Fun pFun = NULL;

cout << "虚函数表地址：" << (int\*)(&b) << endl;

cout << "虚函数表 — 第一个函数地址：" << (int\*)\*(int\*)(&b) << endl;

// Invoke the first virtual function

pFun = (Fun)\*((int\*)\*(int\*)(&b));

pFun();

实际运行经果如下：(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)

虚函数表地址：0012FED4

虚函数表 — 第一个函数地址：0044F148

Base::f

通过这个示例，我们可以看到，我们可以通过强行把&b转成int \*，取得虚函数表的地址，然后，再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了，也就是Base::f()，这在上面的程序中得到了验证（把int\* 强制转成了函数指针）。通过这个示例，我们就可以知道如果要调用Base::g()和Base::h()，其代码如下：

(Fun)\*((int\*)\*(int\*)(&b)+0); // Base::f()

(Fun)\*((int\*)\*(int\*)(&b)+1); // Base::g()

(Fun)\*((int\*)\*(int\*)(&b)+2); // Base::h()

这个时候你应该懂了吧。什么？还是有点晕。也是，这样的代码看着太乱了。没问题，让我画个图解释一下。如下所示：

![0_12721051939CC6.gif][]

注意：在上面这个图中，我在虚函数表的最后多加了一个结点，这是虚函数表的结束结点，就像字符串的结束符“/0”一样，其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在WinXP+VS2003下，这个值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，这个值是如果1，表示还有下一个虚函数表，如果值是0，表示是最后一个虚函数表。

下面，我将分别说明“无覆盖”和“有覆盖”时的虚函数表的样子。没有覆盖父类的虚函数是毫无意义的。我之所以要讲述没有覆盖的情况，主要目的是为了给一个对比。在比较之下，我们可以更加清楚地知道其内部的具体实现。

### 一般继承（无虚函数覆盖） ###

下面，再让我们来看看继承时的虚函数表是什么样的。假设有如下所示的一个继承关系：

![0_1272105218n166.gif][]

请注意，在这个继承关系中，子类没有重载任何父类的函数。那么，在派生类的实例中，其虚函数表如下所示：

对于实例：Derive d; 的虚函数表如下：

![0_1272105253fyHi.gif][]

我们可以看到下面几点：

1）虚函数按照其声明顺序放于表中。

2）父类的虚函数在子类的虚函数前面。

我相信聪明的你一定可以参考前面的那个程序，来编写一段程序来验证。

### 一般继承（有虚函数覆盖） ###

覆盖父类的虚函数是很显然的事情，不然，虚函数就变得毫无意义。下面，我们来看一下，如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数，会是一个什么样子？假设，我们有下面这样的一个继承关系。

![0_12721053070UG5.gif][]

为了让大家看到被继承过后的效果，在这个类的设计中，我只覆盖了父类的一个函数：f()。那么，对于派生类的实例，其虚函数表会是下面的一个样子：

![0_12721053507885.gif][]

我们从表中可以看到下面几点，

1）覆盖的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。

2）没有被覆盖的函数依旧。

这样，我们就可以看到对于下面这样的程序，

Base \*b = new Derive();

b->f();

由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代，于是在实际调用发生时，是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。

### 多重继承（无虚函数覆盖） ###

下面，再让我们来看看多重继承中的情况，假设有下面这样一个类的继承关系。注意：子类并没有覆盖父类的函数。

![0_1272105379uapN.gif][]

对于子类实例中的虚函数表，是下面这个样子：

![0_1272105404h4k4.gif][]

我们可以看到：

1） 每个父类都有自己的虚表。

2） 子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。（所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的）

这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数。

### 多重继承（有虚函数覆盖） ###

下面我们再来看看，如果发生虚函数覆盖的情况。

下图中，我们在子类中覆盖了父类的f()函数。

![0_12721054555D23.gif][]

下面是对于子类实例中的虚函数表的图：

![0_1272105508L3g7.gif][]

我们可以看见，三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样，我们就可以任一静态类型的父类来指向子类，并调用子类的f()了。如：

Derive d;

Base1 \*b1 = &d;

Base2 \*b2 = &d;

Base3 \*b3 = &d;

b1->f(); //Derive::f()

b2->f(); //Derive::f()

b3->f(); //Derive::f()

b1->g(); //Base1::g()

b2->g(); //Base2::g()

b3->g(); //Base3::g()

### 安全性 ###

每次写C++的文章，总免不了要批判一下C++。这篇文章也不例外。通过上面的讲述，相信我们对虚函数表有一个比较细致的了解了。水可载舟，亦可覆舟。下面，让我们来看看我们可以用虚函数表来干点什么坏事吧。

**一、通过父类型的指针访问子类自己的虚函数**

我们知道，子类没有重载父类的虚函数是一件毫无意义的事情。因为多态也是要基于函数重载的。虽然在上面的图中我们可以看到Base1的虚表中有Derive的虚函数，但我们根本不可能使用下面的语句来调用子类的自有虚函数：

Base1 \*b1 = new Derive();

b1->f1(); //编译出错

任何妄图使用父类指针想调用子类中的**未覆盖父类的成员函数**的行为都会被编译器视为非法，所以，这样的程序根本无法编译通过。但在运行时，我们可以通过指针的方式访问虚函数表来达到违反C++语义的行为。（关于这方面的尝试，通过阅读后面附录的代码，相信你可以做到这一点）

**二、访问non-public****的虚函数**

另外，如果父类的虚函数是private或是protected的，但这些非public的虚函数同样会存在于虚函数表中，所以，我们同样可以使用访问虚函数表的方式来访问这些non-public的虚函数，这是很容易做到的。

如：

class Base \{

private:

virtual void f() \{ cout << "Base::f" << endl; \}

\};

class Derive : public Base\{

\};

typedef void(\*Fun)(void);

void main() \{

Derive d;

Fun pFun = (Fun)\*((int\*)\*(int\*)(&d)+0);

pFun();

### 结束语 ###

C++这门语言是一门Magic的语言，对于程序员来说，我们似乎永远摸不清楚这门语言背着我们在干了什么。需要熟悉这门语言，我们就必需要了解C++里面的那些东西，需要去了解C++中那些危险的东西。不然，这是一种搬起石头砸自己脚的编程语言。

深入浅出C++虚函数表

作者：白狐 [http://blog.csdn.net/smalllixin/archive/2007/08/06/1728464.aspx][http_blog.csdn.net_smalllixin_archive_2007_08_06_1728464.aspx]

为什么要了解虚函数表  
了解虚函数表对理解C++实现多态的机制会有更深的了解，对对象的内存布局会有更好的认识。

验证虚函数表的存在  
（C++中的struct和class实际上是一样的）

C++中当一个类中存在virtual函数（虚函数）或者它的父类中存在虚函数，那么编译器就会为这个类生成虚函数表（virtual table）,下面我用代码来验证这个事情。

首先写一个class

class A

\};

cout<<sizeof(A)<<endl;

输出结果1，就是说这个类占1个字节（具体为什么要占1个字节我也不太清楚，应该就这么设计的吧，有高手请告诉我为什么）。

下面改写这个类，为其加上虚函数

class A

public: virtual int add(int i);

\};

cout<<sizeof(A)<<endl;

输出4。

我们知道函数不会影响类的大小，函数的地址是另外被存在一片内存区域。

这4个字节就是指向虚函数表的指针，编译器为有virtual函数的类加上去的，可以看到这是一个32位的指针，因为32位的操作系统的寻址范围是4G（64位处理器这个数值应该是64位的，没有经过验证）。

这个指针指向的虚函数表也是一片内存，这里面存储这所有虚函数的地址。内存的情况可能如下：

虚函数表

<table style="width: 228px; height: 44px;"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 类A中的int add (int i)地址 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 。。。其他虚函数地址 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

如果类A的定义如下：

class A

public:

int i;

virtual int add(int i);

那么sizeof(A) == 8。所以类的大小等于vtable的size加上数据成员的size，如果他有父类，则还需要加上父类中数据成员的size。例如：

class B: public A

public:

int k;

cout<<sizeof(B);

输出12。

B的vtable (4bytes)+ B::k (4bytes) + A::i (4bytes) =12 bytes。

多态的原理  
多态是如何利用这个虚函数表实现的呢？看下面的代码：

struct Super

int data;

virtual int add(int i)\{return i;\};

virtual string toString()=0;

\};

class Sub: public Super

public:

string toString()

return string("Sub class");

\};

Super\* s = new Sub();

cout<<s->toString()<<endl;

delete s;

输出”Sub class”。

![0_12721058559KMG.gif][]

Super vtable  
   
Super:: add地址  
   
Super::toString地址  
   
Sub vtable  
   
Super::add地址  
   
Sub::toString地址  
   
int data;

编译器会把虚表编译成上面的样式，注意两件事情:

第一，   虚函数表在类所有成员的最前面。

第二，   第二，Sub因为重写了toString，Sub的虚函数表就记录者Sub的toString的地址。

上面的程序Super\* s = new Sub();

s实际指向的是Sub类对象的内存区域，所以调用方法的时候会根据这片内存记录的函数地址进行调用，多态就是这么实现的。

访问虚函数表，手动调用虚函数  
既然虚函数表存在于内存，那么就会有方法找到这片内存区域然后调用，下面就用程序来说明这项工作。

首先来看一项技术

struct S

int k;

int m;

\};

S a;

int i = 5;

a.k = 5;

a.m = 4;

cout<<\*(int\*)&a<<endl;

输出5。

说明一下这段程序，我想就是最一行语句理解起来不太容易，把它拆开来看看会很清晰。

首先用int\*型指向S类型

int\* pi = (int\*)&a;

然后用解引用来查看这片内存存储的int型数据，合起来就\*(int\*)&a是这种形式。

如此咱们就有了方法访问一个类的任意一片内存了，那么就先找到虚函数表的地址吧！

了解一个数据类型DWORD\_PTR,它被定义为32位的指针(64位系统下64位)，我们就用这个指针来找到虚函数表的地址。

DWORD\_PTR pvTable;

pvTable = (DWORD\_PTR)&Sub();

Sub()创建了一个Sub的临时对象，&Sub()表示取这个对象的地址，然后把它强制类型转换为DWORD\_PTR，上文说过虚表是在类的最上面，所以pvTable就指向了这个类的虚函数表。

如下代码访问此类的虚函数：

((Sub\*)pvTable)->toString()

利用这种技术可以实现动态调用，具体实现不说明了，可以参考<<精通MFC>>P19，基本思想是实现一个与被调用类匹配的结构，然后进行类型转换就可以映射到相应位置的内存。

struct CompitibleStruct

DWORD\_PTR vtable;

int data;

\};

其他  
C++中没有接口的概念，一般要实现接口都用pure virtual class(纯虚类)，下面代码举一个实例：

struct ISwitch

virtual void On() = 0;

virtual void Off() = 0;

\};

定义一个ISwitch接口。参考java或者c\#的语言规定，一个接口不能从类继承，所以这个接口的虚函数表其实没有任何意义，Microsoft为这种情况发明了一个修饰符\_\_declspec(novtable)。为纯虚类加上这个关键字不错的选择，可以减少编译出来的冗余信息，这个技术被用到\_\_interface关键字上了，ATL中能看到。

总结：本文由浅入深的介绍了C++的虚函数表，以及它在C++中扮演的角色，本文的技术参考了一些书籍加以总结揣测，上述代码在VS2005下测试运行通过，由于本人能力有限，可能会有错误的地方，希望读者指正。

参考资料：

<<深入浅出MFC>> <<精通MFC>> MSDN

本文来自CSDN博客，转载请标明出处：[http://blog.csdn.net/smalllixin/archive/2007/08/06/1728464.aspx][http_blog.csdn.net_smalllixin_archive_2007_08_06_1728464.aspx]

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