C++ Virtual总结-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/tyq101010/article/details/49049641

虚函数表

C++中的虚函数的实现一般是通过虚函数表(C++规范并没有规定具体用哪种方法，但大部分的编译器厂商都选择此方法)。

类的虚函数表是一块连续的内存，每个内存单元中记录一个JMP指令的地址。

注意的是，编译器会为每个有虚函数的类创建一个虚函数表，该虚函数表将被该类的所有对象共享。类的每个虚成员占据虚函数表中的一行。如果类中有N个虚函数，那么其虚函数表将有N*4字节的大小。

虚函数（Virtual Function）是通过一张虚函数表来实现的。简称为V-Table。在这个表中，主要是一个类的虚函数的地址表，这张表解决了继承、覆盖的问题，保证其真实反应实际的函数。这样，在有虚函数的类的实例中分配了指向这个表的指针的内存，所以，当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尤为重要了，它就像一个地图一样，指明了实际所应该调用的函数。

编译器应该是保证虚函数表的指针存在于对象实例中最前面的位置（这是为了保证取到虚函数表的有最高的性能——如果有多层继承或是多重继承的情况下）。这意味着可以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。

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c++是一门面向对象的语言，但是它和c#，java不同，它没有反射机制。没有反射机制使得c++在语言的一些设计方面与其他语言有点不一样，主要体现在智能化方面，许多东西得程序员明确指定，例如本文要讲的virtual关键字。virtual是在运行时才体现的，而c++在运行时无法使用反射来确定当前类的父类是否有此方法，此方法是否被重载等信息，所以必须在写代码时用virtual来明确指明，然后通过编译器做一些特殊处理（也就是使用虚表）。

我们见到virtual最多的地方是在c++里面的多态实现。

[cpp]view plaincopy 
   
 // dynamic_poly.h  
 #include <iostream>  
 // 公共抽象基类Vehicle  
 class Vehicle  
 {  
 public:  
     virtual void run() const = 0;  
 };  
 // 派生于Vehicle的具体类Car  
 class Car: public Vehicle  
 {  
 public:  
     virtual void run() const  
     {  
         std::cout << "run a car/n";  
     }  
 };  
 // 派生于Vehicle的具体类Airplane  
 class Airplane: public Vehicle  
 {  
 public:  
     virtual void run() const  
     {  
         std::cout << "run a airplane/n";  
     }  
 };   

[cpp]view plaincopy 
   
 // dynamic_poly_1.cpp  
 #include <iostream>  
 #include <vector>  
 #include "dynamic_poly.h"  
 // 通过指针run任何vehicle  
 void run_vehicle(const Vehicle* vehicle)  
 {  
     vehicle->run();            // 根据vehicle的具体类型调用对应的run()  
 }  
 int main()  
 {  
     Car car;  
     Airplane airplane;  
     run_vehicle(&car);         // 调用Car::run()  
     run_vehicle(&airplane);    // 调用Airplane::run()  
 }  

上面的例子来自于http://www.vckbase.com/document/viewdoc/?id=948，这篇文章里面还提到了多态的一些别的例子。关于多态的文章还有孟岩写的一篇http://blog.youkuaiyun.com/wuliming_sc/archive/2009/01/31/3855906.aspx，可以看看。

在很多多态的例子中，我们都可以看到将基类的方法声明为纯虚函数（virtual void run() const = 0;），这样可以要求子类必须实现这个方法，同时可以体现面向接口编程。

对于使用了virtual之后编译器会做些什么，我觉得用代码更容易说明问题。下面的例子来自http://www.cppblog.com/zhangyq/archive/2009/06/13/87597.html。

1 编译器会为这个类的虚函数添加一个虚表，类似下面的：
// Pseudo-code (not C++, not C) for a static table defined within file Base.cpp
// Pretend FunctionPtr is a generic pointer to a generic member function
// (Remember: this is pseudo-code, not C++ code)
FunctionPtr Base::__vtable[5] = {
&Base::virt0, &Base::virt1, &Base::virt2, &Base::virt3, &Base::virt4
};

2 然后增加一个指向虚表的指针为每一个类对象，这个指针是隐藏的
// Your original C++ source code
class Base {
public:
   ...
   FunctionPtr* __vptr; ← supplied by the compiler, hidden from the programmer
   ...
};
3 编译器在构造中初始化这个指针
Base::Base(...arbitrary params...)
   : __vptr(&Base::__vtable[0]) ← supplied by the compiler, hidden from the programmer
   ...
{
   ...
}
在派生类中，它也会增加一个隐藏的虚表，但是它可以overrides基类的虚函数如：
// Pseudo-code (not C++, not C) for a static table defined within file Der.cpp
// Pretend FunctionPtr is a generic pointer to a generic member function
// (Remember: this is pseudo-code, not C++ code)
FunctionPtr Der::__vtable[5] = {
   &Der::virt0, &Der::virt1, &Der::virt2, &Base::virt3, &Base::virt4
};

从上面的代码我们可以非常容易的划出class的结构图，当然可以用/d1reportSingleClassLayout来显示class的布局图（http://blog.youkuaiyun.com/chief1985/archive/2009/10/23/4720191.aspx）。

使用virtual的地方还有虚拟继承和虚拟析构函数。

虚拟继承的例子如下，来自http://blog.youkuaiyun.com/wuliming_sc/archive/2009/01/31/3855607.aspx：

[cpp]view plaincopy 
   
 class Point2d{  
 public:  
 //...  
 protected:  
 float _x;  
 float _y;  
 };  
 class Vertex : public virtual Point2d{  
 public:  
 //...  
 protected:  
 Vertex *next;  
 };  
 class Point3d : public virtual Point2d{  
 public:  
 //...  
 protected:  
 float _z;  
 };  
 class Vertex3d: public Vertex, public Point3d{  
 public:  
 //...  
 protected:  
 float mumble;  
 };  