【C++】虚函数在不同继承方式中的对象模型

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#C++ #虚拟继承 #虚函数 #对象模型 #多态

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本文详细探讨了虚函数和虚拟继承的概念及其在C++中的实现机制，包括单继承、多继承、菱形继承和虚拟单继承等不同场景下对象模型的变化。

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虚函数的调用是通过查找虚表调用的，通过虚表找到函数的地址，从而调用对应的函数，而虚表则是放在对象的前四个字节里的。

通过基类的引用（或指针）调用虚函数时，调用基类还是派生类的函数，是根据运行时引用（或指针）的实际引用（指向）的类型确定，而调用非虚函数时，无论基类指向的是何种类型，调用的都是基类的函数。下面看看在不同继承方式下的对象模型有什么不同：

1.单继承，派生类中没有对基类函数进行重写

class Base
{
public:
	virtual void Test1() { cout << "Base::Test1()";}	
	virtual void Test2() { cout << "Base::Test2()";}
	int _b;
};
class Derived :public Base
{
public:
	virtual void Test3() { cout << "Derived::Test3()";}
	virtual void Test4() { cout << "Derived::Test4()";}
	int _d;
};
typedef void(*FuncPtr)();
void FunTest()
{
	Base b;
	b._b = 1;
	cout << "Base vfptr" << endl;
	FuncPtr* pFunc;
	for (int i = 0; i < 2; i++)
	{
		pFunc = (FuncPtr*)((int*)*(int*)&b + i);
		(*pFunc)();
		cout << ":" << (int*)*pFunc << endl;
	}

	Derived d;
	Base& base = d;
	d._b = 1;
	d._d = 2;
	cout << "Derived vfptr" << endl;
	for (int i = 0; i < 4; i++)
	{
		pFunc = (FuncPtr*)((int*)*(int*)&base + i);
		(*pFunc)();
		cout << ":" << (int*)*pFunc << endl;
	}
}

基类对象b

派生类对象d

2.单继承，派生类中对基类函数进行重写

class Base
{
public:
	virtual void Test1() { cout << "Base::Test1()";}	
	virtual void Test2() { cout << "Base::Test2()";}
	virtual void Test3() { cout << "Base::Test3()";}
	int _b;
};
class Derived :public Base
{
public:
	virtual void Test1() { cout << "Derived::Test1()";}
	virtual void Test2() { cout << "Derived::Test2()";}
	virtual void Test4() { cout << "Derived::Test4()";}
	int _d;
};

派生类对象d

由图我们可以得到对象b,d的对象模型，如下图：

可以看到：

基类中的虚表：虚函数在类中的声明次序

派生类中的虚表：1.基类中的虚表拷贝一份

2.检测派生类中是否对基类中的函数进行重写，用派生类中重写的函数替换相同偏移量位置的基类虚函数。

3.在虚表之后，添加派生类自己的虚函数

3.多继承
先继承的基类的虚表在前面，将派生类自己新增加的虚函数增加到第一张虚表中。

class Base1
{
public:
	virtual void Test1() { cout << "Base1::Test1()" << endl; }
	int _b1;
};
class Base2
{
public:
	virtual void Test2() { cout << "Base2::Test2()" << endl; }
	int _b2;
};
class Derived :public Base1,public Base2
{
public:
	virtual void Test3() { cout << "Derived::Test3()" << endl; }
	int _d;
};

4.菱形继承

class B
{
public:
	virtual void Test1() { cout << "B::Test1()" << endl; }
	virtual void Test2() { cout << "B::Test2()" << endl; }
	int _b;
};
class C1:public B
{
public:
	virtual void Test1() { cout << "C1::Test1()" << endl; }
	virtual void Test3() { cout << "C1::Test3()" << endl; }
	int _c1;
};
class C2: public B
{
public:
	virtual void Test1() { cout << "C2::Test1()" << endl; }
	virtual void Test4() { cout << "C2::Test4()" << endl; }
	int _c2;
};
class D :public C1,public C2
{
public:
	virtual void Test1() { cout << "D::Test1()" << endl; }
	virtual void Test3() { cout << "D::Test3()" << endl; }
	virtual void Test4() { cout << "D::Test4()" << endl; }
	virtual void Test5() { cout << "D::Test5()" << endl; }
	int _d;
};

5.虚拟单继承

我们知道，虚拟继承是为了解决菱形继承二义性问题而出现的，通过偏移量表格区分相同的成员。

首先看一下简单的虚拟单继承中如果类中有虚函数，是什么样的对象模型。

class Base
{
public:
	virtual void Test1() { cout << "Base::Test1()" << endl; }
	int _b;
};
class Derived :virtual public Base
{
public:
	virtual void Test1() { cout << "Derived::Test1()" << endl; }
	virtual void Test2() { cout << "Derived::Test2()" << endl; }
	int _d;
};

同虚拟继承类似，基类的数据成员在最下面，其次是基类的虚表指针，偏移量表格中的值是相对于虚表的值。需要注意的是：当派生类中没有新增的函数，即只有对基类函数的重写时，对象模型中没有第一行中的虚表指针（即派生类的虚表指针），此时，偏移量表格中的内容则是0和8。

6.菱形虚拟继承

class B
{
public:
	virtual void Test1() { cout << "B::Test1()" << endl; }
	virtual void Test2() { cout << "B::Test2()" << endl; }
	int _b;
};
class C1 :virtual public B
{
public:
	virtual void Test1() { cout << "C1::Test1()" << endl; }
	virtual void Test3() { cout << "C1::Test3()" << endl; }
	int _c1;
};
class C2 :virtual public B
{
public:
	virtual void Test1() { cout << "C2::Test1()" << endl; }
	virtual void Test4() { cout << "C2::Test4()" << endl; }
	int _c2;
};
class D :public C1, public C2
{
public:
	virtual void Test1() { cout << "D::Test1()" << endl; }
	virtual void Test3() { cout << "D::Test3()" << endl; }
	virtual void Test4() { cout << "D::Test4()" << endl; }
	virtual void Test5() { cout << "D::Test5()" << endl; }
	int _d;
};

在菱形虚拟继承的基础上，添加了虚函数。通过测试得到对象模型，由图我们可以看到，同没有虚函数的菱形虚拟继承类似，基类在对象最下方；第一个偏移量表格中的第一个值是相对于自己虚表指针的偏移量，第二个值是相对于基类虚表指针的偏移量。第二个偏移量表格是类似的；同多继承类似，派生类D中新增加的函数位于第一张虚表中。

需要注意的是：
1.虚表是所有类对象实例共用的，所以在一个类中，只有一个虚表。
2.注意区分虚函数和虚拟继承，虚函数时为了实现动态多态，虚拟继承是为了解决菱形继承二义性问题。