C++虚函数实现模拟

以你之姓@ 2022-12-21 09:25 163阅读 0赞

### 目录 ###

*  前言
 *  虚函数表分析
 *  虚函数模拟实现
 *  虚函数原理分析

# 前言 #

虚函数的实现包含两个重要部分，虚函数表和虚函数表指针。

*  虚函数表：一个类如果有虚函数，则针对这个类会产生一个虚函数表；  
    虚函数表属于类。
 *  虚函数表指针：生成这个类的对象时，对象里就包含了一个指针（虚函数指针），用来指向这个虚函数表的起始地址；  
    虚函数表指针属于对象，一般位于对象内存的起始位置。

# 虚函数表分析 #

看如下示例代码（代码1），父类Base包含三个虚函数f、g、h，子类Derive重写了其中两个虚函数f、g：

class Base
    { 
    public:
    	Base() { }
    
    	virtual void f() {  cout << "Base::f()" << endl; }
    	virtual void g(int n) {  cout << "Base::g(" << n << ")" << endl; }
    	virtual void h() {  cout << "Base::h()" << endl; }
    };
    
    
    class Derive : public Base
    { 
    public:
    	Derive() {   }
    	void f() {  cout << "Derive::f()" << endl; }
    	void g(int n) {  cout << "Derive::g(" << n << ")" << endl; }
    };
    
    int main()
    { 
    	Base* pb = new Base;
    	Base* pd = new Derive;
    
    	pd->f();
    	pd->g(5);
    	pd->h();
    
    	return 0;
    }

其运行结果如下所示：  
![在这里插入图片描述][20201115213815593.png]  
在调试时将断点设置在return 0；处，即可获得如下调试信息：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2twZW5naw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

根据以上代码和调试信息，绘制出父类对象（pb）和子类对象(pd)内存布局如下所示：  
![虚函数内存布局][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2twZW5naw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

*  虚函数的地址在编译器就确定了；
 *  虚函数表中存放的是此类对应的虚函数的地址，若子类未重写父类虚函数，则虚函数的地址为父类对应函数的地址，如Derive::h指向Base::h。虚函数表在编译期就行确定。
 *  类的虚函数表指针指向虚函数表的首地址。对象的虚函数表指针的值在运行期就行确定，即虚函数表指针的值在运行期会发生变化，故虚函数的调用在运行期才能确定。

# 虚函数模拟实现 #

针对以上代码，模拟实现虚函数，实现代码（代码2）如下：

class Base
    { 
    public:
    	Base() {  
    		__vfptr = vftable;/*模拟编译时插入的代码*/
    		//... 用户代码
    	 }
    
    	void f() {  cout << "Base::f()" << endl; }//virtual void f()
    	void g(int n) {  cout << "Base::g(" << n << ")" << endl; }//virtual void g()
    	void h() {  cout << "Base::h()" << endl; }//virtual void h()
    
    	void** __vfptr;//虚表指针，跟随对象，模拟编译时插入的代码
    	static void* vftable[3]; //虚函数表，跟随类
    };
    
    void* Base::vftable[3];//定义虚函数表
    
    
    class Derive : public Base
    { 
    public:
    	Derive() { 
    		__vfptr = vftable;/*模拟编译时插入的代码*/
    		//... 用户代码
    	}
    	void f() {  cout << "Derive::f()" << endl; }
    	void g(int n) {  cout << "Derive::g(" << n << ")" << endl; }
    
    	static void* vftable[3];
    };
    
    void* Derive::vftable[3];//定义虚函数表
    
    int main()
    { 
    	/* 模拟编译期确定虚函数表中每一项的值，编译器实现在main函数执行之前 Base::vftable = { &Base::f, &Base::g, &Base::h } */
    	void(Base:: * b_pf)() = &Base::f;
    	memcpy(Base::vftable + 0, &b_pf, sizeof(void*));
    	void(Base:: * b_pg)(int) = &Base::g;
    	memcpy(Base::vftable + 1, &b_pg, sizeof(void*));
    	void(Base:: * b_ph)() = &Base::h;
    	memcpy(Base::vftable + 2, &b_ph, sizeof(void*));
    
    	/* Derive::vftable = { &Derive::f, &Derive::g, &Base::h } */
    	void(Derive:: * d_pf)() = &Derive::f;
    	memcpy(Derive::vftable + 0, &d_pf, sizeof(void*));
    	void(Derive:: * d_pg)(int) = &Derive::g;
    	memcpy(Derive::vftable + 1, &d_pg, sizeof(void*));
    	void(Derive:: * d_ph)() = &Base::h;
    	memcpy(Derive::vftable + 2, &d_ph, sizeof(void*));
    
    
    	//运行期
    	Base* pb = new Base;
    	Base* pd = new Derive;
    
    	//pd->f(); (pd->__vfptr[0])()
    	void(Base:: * vf)();
    	memcpy(&vf, pd->__vfptr + 0, sizeof(char*));
    	(pd->*vf)();
    	//pd->g(5); (pd->__vfptr[1])(5);
    	void(Base:: * vg)(int);
    	memcpy(&vg, pd->__vfptr + 1, sizeof(char*));
    	(pd->*vg)(5);
    	//pd->h(); (pd->__vfptr[2])();
    	void(Base:: * vh)();
    	memcpy(&vh, pd->__vfptr + 2, sizeof(char*));
    	(pd->*vh)();
    
    	return 0;
    }

运行上述代码，得到和代码1一样的结果。

# 虚函数原理分析 #

1.  虚函数表指针\_\_vfptr是编译时插入的代码，其赋值在构造函数执行时。由于其作为成员变量，故发生复制时，会发生值拷贝。如：
    
        Base* p = new Base;// p->__vfptr指向Base的虚函数表
        p = new Derive;    // p->__vfptr指向Derive的虚函数表
    
    在构造Base的对象时，将对象的虚函数表地址设置为Base::vftable的首地址；当构造Derive对象时，构造的对象的虚函数表指针指向Derive::vftable。复制操作时，成员变量进行复制，此时p的虚函数表地址从Base::vftable变为Derive::vftable。
2.  虚函数表的初始化发生在编译期，即在运行期不会发生变化。
3.  虚函数的执行，先从虚函数表中找到虚函数的地址，然后调用此地址的函数。

[20201115213815593.png]: /images/20221120/ab40197cabe74e749ef8639975f822b9.png
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