C++多态性：虚函数的调用原理_虚函数没有重载还能调用-优快云博客

引文地址： http://www.cppblog.com/ElliottZC/archive/2007/07/20/28416.html

多态性给我们带来了好处：多态使得我们可以通过基类的引用或指针来指明一个对象（包含其派生类的对象），当调用函数时可以自动判断调用的是哪个对象的函数。

一个函数说明为虚函数，表明在继承的类中重载这个函数时，当调用这个函数时应当查看以确定调用哪个对象的这个函数。

普通函数的处理：一个特定的函数都会映射到特定的代码，无论时编译阶段还是连接阶段，编译器都能计算出这个函数的地址，调用即可。

虚函数的处理：被调用的函数不仅依据调用的特定函数，还依据调用的 对象的种类。通常是由虚函数表（vtable）来实现的。

虚函数表的结构：它是一个函数指针表，每一个表项都指向一个函数。任何一个包含至少一个虚函数的类都会有这样一张表。需要注意的是vtable只包含虚函数的指针，没有函数体。实现上是一个函数指针的数组。虚函数表既有继承性又有多态性。每个派生类的 vtable 继承了它各个基类的 vtable ，如果基类 vtable 中包含某一项，则其派生类的 vtable 中也将包含同样的一项，但是两项的值可能不同。如果派生类重载 (override) 了该项对应的虚函数，则派生类 vtable 的该项指向重载后的虚函数，没有重载的话，则沿用基类的值。

每一个类只有唯一的一个vtable，不是每个对象都有一个vtable，恰恰是每个同一个类的对象都有一个指针，这个指针指向该类的vtable（当然，前提是这个类包含虚函数）。那么，每个对象只额外增加了一个指针的大小，一般说来是4字节。

在类对象的内存布局中，首先是该类的vtable指针，然后才是对象数据。

在通过对象指针调用一个虚函数时，编译器生成的代码将先获取对象类的vtable指针，然后调用vtable中对应的项。对于通过对象指针调用的情况，在编译期间无法确定指针指向的是基类对象还是派生类对象，或者是哪个派生类的对象(见代码中的函数f在编译期间是无法判断的)。但是在运行期间执行到调用语句时，这一点已经确定，编译后的调用代码能够根据具体对象获取正确的vtable，调用正确的虚函数，从而实现多态性。

给出实例代码：

class A {

public :

virtual void run (){......}

}

class B :public A{

public:

void run(){......}

}

int f (A *pA){

pA->run();

}

分析一下这里的思想所在，问题的实质是这样，对于发出虚函数调用的这个对象指针，在编译期间缺乏更多的信息，而在运行期间具备足够的信息，但那时已不再进行绑定了而是直接执行好了，怎么在二者之间作一个过渡呢？把绑定所需的信息用一种通用的数据结构记录下来，该数据结构可以同对象指针相联系，在编译时只需要使用这个数据结构进行抽象的绑定，而在运行期间将会得到真正的绑定。这个数据结构就是 vtable ，也就是编译期间建立 vtable表，执行期间查表执行 。可以看到，实现用户所需的抽象和多态需要进行后绑定，而编译器又是通过抽象和多态而实现后绑定的。

下面是通过基类的指针来调用虚函数时，所发生的一切：

step 1: 开始执行调用 pA->run(); （这里能判断到底是哪个对象）

step 2: 取得对象的 vtable 的指针

step 3: 从 vtable 那里获得函数入口的偏移量，即得到要调用的函数的指针

step 4: 根据 vtable 的地址找到函数，并调用函数。

step 1 和 step 4 对于一般函数是一样的，虚函数只是多了 step 2 和 step 3 。

解惑：

1基类和派生类是共用一表,还是各有各的表(物理上)
答：基类和派生类是各有各的表,也就是说他们的物理地址是分开的,基类和派生类的虚表的唯一关联是:当派生类没有实现基类虚函数的重载时,派生类会直接把自己表的该函数地址值写为基类的该函数地址值.

那我们来看看编译器是怎么建立VPTR指向的这个虚函数表的。先看下面两个类：
class base
{
public:
     void bfun(){}
     virtual void vfun1(){}
     virtual int vfun2(){}
private:
     int a;
}

class derived : public base
{
public:
     void dfun(){}
     virtual void vfun1(){}
     virtual int vfun3(){}
private:
     int b;
}

两个类VPTR指向的虚函数表（VTABLE）分别如下：
base类
                       ——————
VPTR——> |&base::vfun1 |
                       ——————
                  |&base::vfun2 |
                   ——————

derived类
                       ———————
VPTR——> |&derived::vfun1 |
                       ———————
                   |&base::vfun2    |
                   ———————
                   |&derived::vfun3 |
                    ———————

每当创建一个包含有虚函数的类或从包含有虚函数的类派生一个类时，编译器就为这个类创建一个VTABLE，如上图所示。在这个表中，编译器放置了在这个类中或在它的基类中所有已声明为virtual的函数的地址。如果在这个派生类中没有对在基类中声明为virtual的函数进行重新定义，编译器就使用基类的这个虚函数地址。（在derived的VTABLE中，vfun2的入口就是这种情况。）然后编译器在这个类中放置VPTR。当使用简单继承时，对于每个对象只有一个VPTR。VPTR必须被初始化为指向相应的VTABLE，这在构造函数中发生。
一旦VPTR被初始化为指向相应的VTABLE，对象就"知道"它自己是什么类型。但只有当虚函数被调用时这种自我认知才有用。

个人总结如下：
1、从包含虚函数的类派生一个类时，编译器就为该类创建一个VTABLE。其每一个表项是该类的虚函数地址。
2、在定义该派生类对象时，先调用其基类的构造函数，然后再初始化VPTR，最后再调用派生类的构造函数（ 从二进制的视野来看，所谓基类子类是一个大结构体，其中this指针开头的四个字节存放虚函数表头指针。执行子类的构造函数的时候，首先调用基类构造函数，this指针作为参数，在基类构造函数中填入基类的vptr，然后回到子类的构造函数，填入子类的vptr，覆盖基类填入的vptr。如此以来完成vptr的初始化。）
3、在实现动态绑定时，不能直接采用类对象，而一定要采用指针或者引用。因为采用类对象传值方式，有临时基类对象的产生，而采用指针，则是通过指针来访问外部的派生类对象的VPTR来达到访问派生类虚函数的结果。

VPTR 常常位于对象的开头，编译器能很容易地取到VPTR的值，从而确定VTABLE的位置。VPTR总指向VTABLE的开始地址，所有基类和它的子类的虚函数地址（子类自己定义的虚函数除外）在VTABLE中存储的位置总是相同的，如上面base类和derived类的VTABLE中vfun1和vfun2 的地址总是按相同的顺序存储。编译器知道vfun1位于VPTR处，vfun2位于VPTR+1处，因此在用基类指针调用虚函数时，编译器首先获取指针指向对象的类型信息（VPTR），然后就去调用虚函数。如一个base类指针pBase指向了一个derived对象，那pBase->vfun2 ()被编译器翻译为 VPTR+1 的调用，因为虚函数vfun2的地址在VTABLE中位于索引为1的位置上。同理，pBase->vfun3 ()被编译器翻译为 VPTR+2的调用。这就是所谓的晚绑定。