C++_虚函数的实现的基本原理

太过爱你忘了你带给我的痛 2022-10-14 15:48 127阅读 0赞

**目录**

1. 概述

2. 虚函数表构造过程

3. 虚函数调用过程

4. 多重继承

5. 菱形继承

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# 1. 概述 #

简单地说，每一个含有虚函数（无论是其本身的，还是继承而来的）的类都至少有一个与之对应的虚函数表，其中存放着该类所有的虚函数对应的函数指针。例：  
![970e19efafc538d49565de7ad082ede9.png][]

其中：

*  B的虚函数表中存放着B::foo和B::bar两个函数指针。
 *  D的虚函数表中存放的既有继承自B的虚函数B::foo，又有重写（override）了基类虚函数B::bar的D::bar，还有新增的虚函数D::quz。

*提示：为了描述方便，本文在探讨对象内存布局时，将忽略内存对齐对布局的影响。*

# 2. 虚函数表构造过程 #

从编译器的角度来说，B的虚函数表很好构造，D的虚函数表构造过程相对复杂。下面给出了构造D的虚函数表的一种方式（仅供参考）：  
![6a4ae5cd34ee5565fb9d10dace274372.png][]

*提示：该过程是由编译器完成的，因此也可以说：虚函数替换过程发生在编译时。*

# 3. 虚函数调用过程 #

以下面的程序为例：  
![44c40a8f1484acee5f8acfde110ea8a7.png][]

编译器只知道pb是B\*类型的指针，并不知道它指向的具体对象类型 ：pb可能指向的是B的对象，也可能指向的是D的对象。

但对于“pb->bar()”，编译时能够确定的是：此处operator->的另一个参数是B::bar（因为pb是B\*类型的，编译器认为bar是B::bar），而B::bar和D::bar在各自虚函数表中的偏移位置是相等的。

无论pb指向哪种类型的对象，只要能够确定被调函数在虚函数中的偏移值，待运行时，能够确定具体类型，并能找到相应vptr了，就能找出真正应该调用的函数。

*提示：本人曾在“[C/C++杂记：深入理解数据成员指针、函数成员指针][C_C]”一文中提到：虚函数指针中的ptr部分为虚函数表中的偏移值（以字节为单位）加1。*

B::bar是一个虚函数指针， 它的ptr部分内容为9，它在B的虚函数表中的偏移值为8（8+1=9）。

当程序执行到“pb->bar()”时，已经能够判断pb指向的具体类型了：

*  如果pb指向B的对象，可以获取到B对象的vptr，加上偏移值8（(char\*)vptr + 8），可以找到B::bar。
 *  如果pb指向D的对象，可以获取到D对象的vptr，加上偏移值8（(char\*)vptr + 8） ，可以找到D::bar。
 *  如果pb指向其它类型对象...同理...

# 4. 多重继承 #

当一个类继承多个类，且多个基类都有虚函数时，子类对象中将包含多个虚函数表的指针（即多个vptr），例：  
![aff4d8b801bab0670fd31ccff1f73cb5.png][]

其中：D自身的虚函数与B基类共用了同一个虚函数表，因此也称B为D的**主基类**（primary base class）。

虚函数替换过程与前面描述类似，只是多了一个虚函数表，多了一次拷贝和替换的过程。

虚函数的调用过程，与前面描述基本类似，区别在于基类指针指向的位置可能不是派生类对象的起始位置，以如下面的程序为例：  
![6b8a73e5d8274340a82649d455deeb1e.png][]

# 5. 菱形继承 #

本文不讨论菱形继承的情形，个人觉得：菱形继承的复杂度远大于它的使用价值，这也是C++让人又爱又恨的原因之一。

如果想要深入研究，可以参考：[Itanium C++ ABI][Itanium C_ ABI]。

[970e19efafc538d49565de7ad082ede9.png]: /images/20221014/c82a0db3e3ec445baa935d9e1325d00e.png
[6a4ae5cd34ee5565fb9d10dace274372.png]: /images/20221014/16dcefd045a547d1a300ddac214c563c.png
[44c40a8f1484acee5f8acfde110ea8a7.png]: /images/20221014/bbaee972c34a4fe6b8d17236d657a72c.png
[C_C]: http://www.cnblogs.com/malecrab/p/5572119.html
[aff4d8b801bab0670fd31ccff1f73cb5.png]: /images/20221014/e35cebf727334ca48cabe58c3945c0e2.png
[6b8a73e5d8274340a82649d455deeb1e.png]: /images/20221014/112b390129af4708b065195cb5177243.png
[Itanium C_ ABI]: http://mentorembedded.github.io/cxx-abi/abi.html