C++虛函數探索筆記（1）——虛函數的簡單示例分析

    關注問題：

    虛函數的作用

    虛函數的實現原理

    虛函數表在對象布局里的位置

    虛函數的類的sizeof

    純虛函數的作用

    多級繼承時的虛函數表內容

    虛函數如何執行父類代碼

    多繼承時的虛函數表定位，以及對象布局

    虛析構函數的作用

    虛函數在QT的信號與槽中的應用

    虛函數與inline修飾符，static修飾符

    啰嗦兩句

    虛函數在C++里的作用是在是非常非常的大，很多講述C++的文章都會講到它

，要用好C++，就一定要學好虛函數。網絡上可以google到很多很多關于它的文章

，這一次的學習，我不準備去只是簡單的閱讀了解那些文章，而是希望通過編寫

一些測試代碼，來對虛函數的一些實現機制，以及C++對象布局做一下探索。

    虛函數的簡單示例 ！

    虛函數常常出現在一些抽象接口類定義里，當然，還有一個更常見的“特例

”，那就是虛析構函數，后面會提到這個。

    下面是一段關于虛函數的簡單代碼，演示了使用基類接口操作對象時的效果

：
 //Source filename: Win32Con.cpp
#include <iostream>
using namespace std;
class parent1
{
public:
    virtual int fun1()=0;
};

class child1:public parent1
{
public:
    virtual int fun1()
    {
        cout<<"child1::fun1()"<<endl;
        return 0;
    }
};

class child2:public parent1
{
public:
    virtual int fun1()
    {
        cout<<"child2::fun1()"<<endl;
        return 0;
    }
};

void test_func1(parent1 *pp)
{
    pp->fun1();
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    child1 co1;
    child2 co2;
    test_func1(&co1);
    test_func1(&co2);
    return 0;
}

    在上面的代碼里，類parent1是一個只具有純虛函數的接口類，這個類不能被

實例化，它唯一的用途就是抽象一些特定的接口函數，當然，在這里這個接口函

數就是純虛函數 parent1：：fun1（）。

    而類child1和child2則是兩個從parent1繼承的類，我們要使用它定義具體的

類實例，所以它實現了由parent1繼承得來的fun1接口，并且各自的實現是不同的

。

    函數 test_func1 的參數是一個parent1類型的指針，它所要完成的功能就是

調用這個parent1對象的fun1（）函數。

    讓我們編譯運行一下上面的代碼，可以看到下面的輸出

    child1：：fun1（）

    child2：：fun1（）

    很顯然，在兩次調用test_func1函數的時候，雖然傳入的參數都是一個

parent1的指針，但是卻都分別執行了child1和child2各自的fun1函數！這就是

C++里類的多態。然而，這一切是怎么發生的呢？test_func1函數怎么會知道應該

調用哪個函數的呢？我不準備像其他人一樣畫若干圖來說明，我準備用具體某個

編譯器產生的對象布局以及相應的匯編代碼來說明這個過程（這個編譯器是

vs2008里的vc9）。

    我們先打開一個VS2008命令提示窗口，改變目錄到上面的代碼Win32Con.cpp

所在目錄，輸入下面的命令：

    cl  win32con.cpp  /d1reportSingleClassLayoutchild

    上面的命令可以編譯win32con.cpp源碼，同時生成里面類名包含child 的類

的對象布局（layout）

    注意：d1reportSingleClassLayout和后面的child是相連的！

    輸入上面的命令后看到的對象布局如下，紅色字為我添加的注釋
 class child1    size(4): 子類child1的對象布局，只包含一個vfptr，大小為

4字節
        +---
        | +--- (base class parent1) 這是被嵌套的父類parent1的對象布局
 0      | | {vfptr}
        | +---
        +---
這是child1的vfptr所指的虛函數表的布局，只包含一個函數的地址，就是child1

的fun1函數
child1::$vftable@:
        | &child1_meta
        |  0
 0      | &child1::fun1

child1::fun1 this adjustor: 0

class child2    size(4): 子類child2的對象布局，只包含一個vfptr，大小為4

字節
        +---
        | +--- (base class parent1) 這是被嵌套的父類parent1的對象布局
 0      | | {vfptr}
        | +---
        +---
這是child2的vfptr所指的虛函數表的布局，只包含一個函數的地址，就是child2

的fun1函數
child2::$vftable@:
        | &child2_meta
        |  0
 0      | &child2::fun1

child2::fun1 this adjustor: 0

    從上面的對象布局可以知道：

    每個子對象都有一個隱藏的成員變量vfptr（你當然不能用這個名字訪問到它

），它的值是指向該子對象的虛函數表，而虛函數表里填寫的函數地址是該子對

象的fun1函數地址。

    對一個包含有虛函數的類做sizeof操作的時候，除了能直接看到的成員變量，還得增加4字節（在32位機器上），就是vfptr這個指針的大小。

    所以當test_func1進行pp->fun1（）調用的時候，會首先取出pp所指的內存地址并按照parent1的內存布局，獲取到vfptr指針（由于pp在兩次調用中分別指向co1和co2所以這里取得的實際上是co1的vfptr和co2的vfptr），然后從vfptr所指的虛函數表第一項（現在也只有 1 項）取出作為將要調用的函數，由于co1和co2在各自的虛函數表里填寫了各自的fun1的地址，于是pp->fun1（）最終就調用到了co1和co2各自的fun1，輸出自然也就不同了。

    讓我們看看test_func1的反匯編代碼：

void test_func1(parent1 *pp) { 001C1530  push        ebp 001C1531  mov         ebp,esp 001C1533  sub         esp,0C0h 001C1539  push        ebx 001C153A  push        esi 001C153B  push        edi 001C153C  lea         edi,[ebp-0C0h] 001C1542  mov         ecx,30h 001C1547  mov         eax,0CCCCCCCCh 001C154C  rep stos    dword ptr es:[edi]     pp->fun1(); 001C154E  mov         eax,dword ptr [pp] //取得pp的值放到eax，即對象的地址 //取得對象的vfptr地址放到edx(因為vfptr在對象布局里拍在第一） 001C1551  mov         edx,dword ptr [eax] 001C1553  mov         esi,esp 001C1555  mov         ecx,dword ptr [pp] 001C1558  mov         eax,dword ptr [edx] //取出vfptr的第一個虛函數的地址到eax 001C155A  call        eax //調用虛函數，即fun1()

    至此，應該比較清楚虛函數機制的基本實現了。然而，也許你還會有這些問題：

    虛函數表是每個子對象都有的么？

    虛函數是存在一個表里的，表的數據結構是怎樣的，如何定位表里哪個才是我們要調用的虛函數？

    略作變化

    讓我們對前面的代碼做以下修改：

    定義一個普通類

    修改parent類，在fun1前增加虛函數fun2

    在child1里和child2里編寫fun2的具體實現，一個在fun1之前編寫，另外一個在之后編寫修改后的編碼大致如下：

class parent1 { public:     virtual int fun2()=0;     virtual int fun1()=0; }; class child {     int a; }; class child1:public parent1 { public:     virtual int fun1()     {         cout<<"child1::fun1()"<<endl;         return 0;     }     virtual int fun2()     {         cout<<"child1::fun2()"<<endl;         return 0;     } };

    然后我們再使用cl命令以及/d1reportSingleClassLayout選項輸出相關的類對象布局情況：

class child     size(4):  //在普通類child里，看不到vfptr的身影！         +---  0      | a         +--- class child1    size(4):    //child1的對象布局，和之前沒有變化！         +---         | +--- (base class parent1)  0      | | {vfptr}         | +---         +--- //child1的虛函數表多了fun2，并且兩個虛函數在表里的順序相同于在parent類里聲明的順序 child1::$vftable@:         | &child1_meta         |  0  0      | &child1::fun2  1      | &child1::fun1 child1::fun1 this adjustor: 0 child1::fun2 this adjustor: 0

    結論很明顯：

    虛函數表指針vfptr只在類里有虛擬函數的時候才會存在當有多個虛函數的時候，虛函數在虛函數表里的順序由父類里虛函數的定義順序決定并且我們還可以觀察到：

    這個vfptr指針會放在類的起始處（這是必須的，vfptr在父類和子類的對象布局上必須一致！）

    虛函數表是以一個NULL指針標識結束讓我們對這次簡單的示例代碼測試來做個小小總結：

    有虛函數的類，一定會有一個虛函數表指針vfptr這個vfptr指針會放在類的起始處虛函數表里會按基類聲明虛函數的順序在vfptr里存放函數地址虛函數表里存放的是函數地址是具體子類的實現函數的地址調用虛函數的時候，是從vfptr所指的函數表里獲取到函數地址，然后才調用具體的代碼。