C++ 虚函数表图解

一、前言

一直以来，对虚函数的理解仅仅是，在父类中定义虚函数，子类中可以重写该虚函数，并且父类指针可以指向子类对象，调用子类的虚函数（多态）。在读研阶段经历的几个项目中，自己所写的类中并没有用到虚函数，对虚函数这个东西的强大之处并没有太多体会。最近，学了设计模式中的简单工厂模式，对多态有了具体的认识。于是，补了补多态、虚函数、虚函数表相关的知识，参考相关博客，加上自己的理解，整理了这篇博文。

二、含有虚函数类的内存模型

以下面的类为例（32位平台下）：

class Father {
public:
	virtual void fun1() { cout << "Father::fun1()" << endl; }
	virtual void fun2() { cout << "Father::fun2()" << endl; }
	int i;
};

该类中含有两个虚函数和一个成员变量i，输出sizeof(Father)，结果为8个字节。如果去掉virtual关键字，则结果为4个字节。也就是说，类中含有虚函数，则该类会增加4个字节，那这4个字节是什么变量所占据的呢？

答案是一个指针（我觉得应该是unsigned int*类型指针，这点不确定），在vs调试窗口中，可以看到该指针名为_vfptr，该指针称为虚函数表指针。

类的内存模型如下，_vptr指针和成员变量i各占4字节，一共8字节。另外 ,-vptr指针一定在内存模型前面。对于只有一个虚表指针的类来说，类内存模型前4个字节就是虚表指针所占空间。

三、虚函数表与虚函数表指针

上面提到_vfptr是虚函数表指针，那虚函数表是什么呢？

虚函数表其实就是一个指针数组，这个数组中存放着虚函数的地址，大概如下：

最后一个类似于字符串的结束标志位，VS编译器中为0。

这样的话，虚函数表指针就很容易理解了，这个虚函数表指针指向该虚函数表，也就是虚函数指针的值就是上述指针数组的首地址。

四、虚函数地址

函数存放在代码区，虚函数也不例外。虚函数表中存放的是虚函数地址，即代码区虚函数的入口地址。

五、多态

定义一个Father的子类Son，对虚函数fun1()进行重写。

#include<iostream>
using namespace std;
class Father {
public:
	virtual void fun1() { cout << "Father::fun1()" << endl; }
	virtual void fun2() { cout << "Father::fun2()" << endl; }
	int i;
};

class Son :public Father {
	virtual void fun1() { cout << "Son::fun1()" << endl; }

};
int main()
{
	Son son;
	Father father;
	Father *p = &father;
	p->fun1();
	p->fun2();
    p=&son;
    p->fun1();
    p->fun2();
	return 0;
}

父类中有虚函数，则子类同样会有一个虚函数指针，这个指针指向一个新表，如下图所示：

Son类重写了fun1()，未重写fun2()，那么虚函数表中，第一个地址便是重写的Son::fun1()的地址，第二个地址仍然是父类中Father::fun2()的地址。这里可以在vs调试模式下，查看father与son的虚函数表，son表中第二个元素值与father表中第二个元素值相同。

	Father *p = &father;
	p->fun1();
	p->fun2();

p指向Father对象father：

p->fun1()：沿着框1->框3->框5的路径，调用Father::fun1()；

p->fun2()：沿着框1->框4->框6的路径，调用Father::fun2()；

    p=&son;
    p->fun1();
    p->fun2();

p指向子类对象son：

p->fun1()：沿着框7->框9->框11的路径，调用Son::fun1()；

p->fun2()：沿着框7->框10->框6的路径，调用Father::fun2()；

六、通过函数指针操作调用虚函数

现修改main函数

typedef void(*Fun)(void);
int main()
{

	Father father;
	Son son;
	printf("虚函数表地址_vfptr:%p\n", *(unsigned int*)(&father));
	printf("第一个虚函数地址e:%p\n", *(unsigned int*)*(unsigned int*)(&father));
	printf("第二个虚函数地址f:%p\n", *((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father)+1));

	unsigned char* end = NULL;
	end = (unsigned char*)((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father) + 2);
	printf("结束符地址d:%p\n", end);
	printf("结束符值:%d\n", *end);

	Fun pFun = NULL;
	pFun = (Fun)(*((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father) + 1));
	pFun();
    
	return 0;
}

运行结果：

先看一下vs调试模式下各变量的值

将之前的图修改一下，便于理解：

红框中，father中的_vfptr为0x1270234，对应上图中的_vfptr，即虚函数表的地址；

数组[0]值为0x01261447，对应上图中的e，即Father::fun1()的地址;

数组[1]值为0x0126141a，对应上图中的f，即Father::fun2()的地址。

好了，现在来看一下程序中这些看起来很唬人的东西：

	printf("虚函数表地址_vfptr:%p\n", *(unsigned int*)(&father));
	printf("第一个虚函数地址e:%p\n", *(unsigned int*)*(unsigned int*)(&father));
	printf("第二个虚函数地址f:%p\n", *((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father)+1));
	unsigned char* end = NULL;
	end = (unsigned char*)((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father) + 2);

这里，直接用上图中的符号进行分析，否则，说一通xx的地址、对xx解引用等等，容易把人搞晕。

（1）虚函数表的地址*(unsigned int*)(&father)

• a0=&father

• a1=(unsigned int *)a0

• _vfptr=*a1
  
  注意，这里a0和a1的数值是一样的，但只有把地址a0强制转换成(unsigned int *)类型，解引用时系统才会从该地址向后解析4个字节空间，解析成一个unsinged int类型数据。

（2）第一个虚函数地址*(unsigned int*)*(unsigned int*)(&father)

• b=(unsigned int*)_vfptr

• e=*b
  

（3）第二个虚函数地址*((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father)+1)

• c=b+1

• f=*c
  

（4）结束符地址(unsigned char*)((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father) + 2)

• 未强制转换的d=b+2
• 强制转换的d=(unsigned char*)(b+2)
  

（5）通过函数指针调用虚函数

	Fun pFun = NULL;
	pFun = (Fun)(*((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father) + 1));
	pFun();

七、结语

这篇博文包含许多自己理解的内容，并在此基础上画了图解，如果有误，还请指正。

八、参考

C++ 虚函数表解析

虚函数表详解

C++ 虚函数详解（虚函数表、vfptr）