C++虚函数机制

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1.1 简介

编译器对每个包含虚函数的类创建一个表（称为VTABLE）。在VTABLE中，编译器放置特定类的虚函数地址。在每个带有虚函数的类中，编译器秘密地置一指针，称为vpointer（缩写为VPTR），指向这个对象的VTABLE。通过基类指针做虚函数调用时（也就是做多态调用时），编译器静态地插入取得这个VPTR，并在VTABLE表中查找函数地址的代码，这样就能调用正确的函数使晚捆绑发生。为每个类设置VTABLE、初始化VPTR、为虚函数调用插入代码，所有这些都是自动发生的。利用虚函数，这个对象的合适的函数就能被调用，哪怕在编译器还不知道这个对象的特定类型的情况下。（《C++编程思想》）

class no_virtual {

public:

void fun1() const{}

int fun2() const { return a; }

private:

int a;

}

class one_virtual {

public:

virtual void fun1() const{}

int fun2() const { return a; }

private:

int a;

}

class two_virtual {

public:

virtual void fun1() const{}

virtual int fun2() const { return a; }

private:

int a;

}

以上三个类中：

no_virtual没有虚函数，sizeof(no_virtual)=4，类no_virtual的长度就是其成员变量整型a的长度；

one_virtual有一个虚函数，sizeof(one_virtual)=8；

two_virtual有两个虚函数，sizeof(two_virtual)=8；有一个虚函数和两个虚函数的类的长度没有区别，其实它们的长度就是no_virtual的长度加一个void指针的长度，它反映出，如果有一个或多个虚函数，编译器在这个结构中插入一个指针(VPTR)。在one_virtual 和two_virtual之间没有区别，因为只需要一个指针VPTR，它指向一个存放地址的表所有虚函数地址都包含在这个表中。这个VPTR就可以看作类的类型信息。

1.2 理解虚函数的一个实例

typedef void(*Fun)(void);

class Base{

public:

void bfun(){}

virtual void vfun1(){ cout << "Base::vfun1()" << endl; }

virtual void vfun2(){cout << "Base::vfun2()" << endl; }

private:

int a;

};

class Derived : public Base{

public:

void dfun(){}

//在派生类(子孙都包括)中也是虚函数，即使不再使用virtual关键字：

void vfun1(){ cout << "Derived::vfun1()" << endl; }

virtual void vfun3(){}

private:

int b;

};

int main(int argc, char* argv[]){

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;

cout << "虚函数表第二个函数地址: " << (int*)*(int*)(&b)+1 << endl;

// Invoke the first virtual function

pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b)); //1）

pFun();

Derived td;

Base *pb = &td;

pb->vfun2(); //2）

return 0;

}

1）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 |

———————

derived::vfun1的地址覆盖了base::vfun1的地址，这也就是为什么override翻译成覆盖的原因了。

在VTABLE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(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（如果是多继承则一个类会有多个VTABLE）。VPTR被初始化为指向相应的VTABLE是在构造函数中发生的。

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)。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。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。

通过上面的分析可知，调用Base类虚函数的方法可以这样：

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::vfun1()

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base:: vfun2()

2）若是普通函数调用只需要一条call指令就可以。而语句pb->vfun2(); 的反汇编代码如下所示：（VC6.0）

004011C6 mov ecx,dword ptr [ebp-10h] // ecx就是指针VPTR

004011C9 mov edx,dword ptr [ecx] // edx取Derived对象头部四个字节

004011CB mov esi,esp

004011CD mov ecx,dword ptr [ebp-10h]

004011D0 call dword ptr [edx+4] //调用了Derived对象头部第二个个函数指针，即Derived::vfun2

004011D3 cmp esi,esp

004011D5 call __chkesp (00409350)