C++虚函数机制解析-优快云博客

纯虚函数主要是你不知道这个函数如何定义,即你无法为其写出定义部分,这部分只有在子类中才能够正确表达,比如,我们要定义一个动物类,那它的呼吸方法怎么定义呢,是像鱼那样,还是像人那样,这个没法确定,只能在子类中去定义。
而虚函数则是肯定知道这个函数的定义,并且大部分子类对这方法的定义应该是差不多的,比如我们要定义一个树类,树都可以进行光合作用,大部分树其进行光合作用的方法都差不多吧,我们就可以将这个方法定义成虚函数,所在大部分的子类都不用再定义这个方法了,而只有部分特别的子类需要定义一下这个方法。
关于虚函数的使用方法，我在这里不做过多的阐述。大家可以看看相关的C++的书籍。在这篇文章中，我只想从虚函数的实现机制上面为大家一个清晰的剖析。
当然，相同的文章在网上也出现过一些了，但我总感觉这些文章不是很容易阅读，大段大段的代码，没有图片，没有详细的说明，没有比较，没有举一返三。不利于学习和阅读，所以这是我想写下这篇文章的原因。也希望大家多给我提意见。

言归正传，让我们一起进入虚函数的世界。

虚函数表
对C++了解的人都应该知道虚函数（Virtual Function）是通过一张虚函数表（Virtual Table）来实现的。简称为V-Table。在这个表中，主是要一个类的虚函数的地址表，这张表解决了继承、重载的问题，保证其容真实反应实际的函数。这样，在有虚函数的类的实例中这个表被分配在了这个实例的内存中，所以，当我们用父类的指针来操作一个子类的时候，这张虚函数表就显得由为重要了，它就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。
这里我们着重看一下这张虚函数表。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）。这意味着我们通过对象实例的地址得到这张虚函数表，然后就可以遍历其中函数指针，并调用相应的函数。
听我扯了那么多，我可以感觉出来你现在可能比以前更加晕头转向了。没关系，下面就是实际的例子，相信聪明的你一看就明白了。

假设我们有这样的一个类：

class Base
{
public:virtual void f() 
	   { cout << "Base::f" << endl;}
	   virtual void g() 
	   { cout << "Base::g" << endl;}
	   virtual void h() 
	   { cout << "Base::h" << endl;}
};

按照上面的说法，我们可以通过Base的实例来得到虚函数表。下面是实际例程：

	typedef void(*Fun)(void);
	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;// Invoke the first virtual function 
	pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
	pFun();

实际运行经果如下：(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)

虚函数表地址：0012FED4

虚函数表 — 第一个函数地址：0044F148

Base::f

通过这个示例，我们可以看到，我们可以通过强行把&b转成int *，取得虚函数表的地址，然后，再次取址就可以得到第一个虚函数的地址了，也就是Base::f()，这在上面的程序中得到了验证（把int* 强制转成了函数指针）。通过这个示例，我们就可以知道如果要调用Base::g()和Base::h()，其代码如下：

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

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

(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h()

这个时候你应该懂了吧！什么？还是有点晕。也是，这样的代码看着太乱了。

注意：在上面这个图中，我在虚函数表的最后多加了一个结点，这是虚函数表的结束结点，就像字符串的结束符“/0”一样，其标志了虚函数表的结束。这个结束标志的值在不同的编译器下是不同的。在WinXP+VS2003下，这个值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，这个值是如果1，表示还有下一个虚函数表，如果值是0，表示是最后一个虚函数表。

下面，我将分别说明“无重载”和“有重载”时的虚函数表的样子。没有重载父类的虚函数是毫无意义的。我之所以要讲述没有重载的情况，主要目的是为了给一个对比。在比较之下，我们可以更加清楚地知道其内部的具体实现。
一般继承（无虚函数重载）

我们可以看到下面几点：

1）虚函数按照其声明顺序放于表中。
2）父类的虚函数在子类的虚函数前面。

我相信聪明的你一定可以参考前面的那个程序，来编写一段程序来验证。

一般继承（有虚函数重载）

我们从表中可以看到下面几点，

1）重载的f()函数被放到了虚表中原来父类虚函数的位置。
2）没有被重载的函数依旧。

这样，我们就可以看到对于下面这样的程序，

Base *b = new Derive();

b->f();

由b所指的内存中的虚函数表的f()的位置已经被Derive::f()函数地址所取代，于是在实际调用发生时，是Derive::f()被调用了。这就实现了多态。

多重继承（无虚函数重载）

我们可以看到：

1）每个父类都有自己的虚表。
2）子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。（所谓的第一个父类是按照声明顺序来判断的）

这样做就是为了解决不同的父类类型的指针指向同一个子类实例，而能够调用到实际的函数。

多重继承（有虚函数重载）

下面我们再来看看，如果发生虚函数重载的情况。

我们可以看见，三个父类虚函数表中的f()的位置被替换成了子类的函数指针。这样，我们就可以任一静态类型的父类来指向子类，并调用子类的f()了。如：

Derive d;

Base1 *b1 = &d;

Base2 *b2 = &d;

Base3 *b3 = &d;

b1->f(); //Derive::f()

b2->f(); //Derive::f()

b3->f(); //Derive::f()

b1->g(); //Base1::g()

b2->g(); //Base2::g()

b3->g(); //Base3::g()

安全性

每次写C++的文章，总免不了要批判一下C++。这篇文章也不例外。通过上面的讲述，相信我们对虚函数表有一个比较细致的了解了。水可载舟，亦可覆舟。下面，让我们来看看我们可以用虚函数表来干点什么坏事吧。

1、通过父类型的指针访问子类自己的虚函数

我们知道，子类没有重载父类的虚函数是一件毫无意义的事情。因为多态也是要基于函数重载的。虽然在上面的图中我们可以看到Base1的虚表中有Derive的虚函数，但我们根本不可能使用下面的语句来调用子类的自有虚函数：

Base1 *b1 = new Derive();b1->f1(); //编译出错

任何妄图使用父类指针想调用子类中的未重载父类的成员函数的行为都会被编译器视为非法，所以，这样的程序根本无法编译通过。但在运行时，我们可以通过指针的方式访问虚函数表来达到违反C++语义的行为。（关于这方面的尝试，通过阅读后面附录的代码，相信你可以做到这一点）

2、访问non-public的虚函数

另外，如果父类的虚函数是private或是protected的，但这些非public的虚函数同样会存在于虚函数表中，所以，我们同样可以使用访问虚函数表的方式来访问这些non-public的虚函数，这是很容易做到的。

如：

class Base {

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

};

class Derive : public Base{};

typedef void(*Fun)(void);

void main()

{

Derive d;

Fun pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&d)+0);

pFun();