C++ 虛函數(shù)表解析
陳皓
http://blog.csdn.net/haoel
前言
C++中的虛函數(shù)的作用主要是實(shí)現(xiàn)了多態(tài)的機(jī)制。關(guān)于多態(tài)，簡(jiǎn)而言之就是用父類型別的指針指向其子類的實(shí)例，然后通過(guò)父類的指針調(diào)用實(shí)際子類的成員函數(shù)。這種技術(shù)可以讓父類的指針有“多種形態(tài)”，這是一種泛型技術(shù)。所謂泛型技術(shù)，說(shuō)白了就是試圖使用不變的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)可變的算法。比如：模板技術(shù)，RTTI技術(shù)，虛函數(shù)技術(shù)，要么是試圖做到在編譯時(shí)決議，要么試圖做到運(yùn)行時(shí)決議。
關(guān)于虛函數(shù)的使用方法，我在這里不做過(guò)多的闡述。大家可以看看相關(guān)的C++的書籍。在這篇文章中，我只想從虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制上面為大家 一個(gè)清晰的剖析。
當(dāng)然，相同的文章在網(wǎng)上也出現(xiàn)過(guò)一些了，但我總感覺(jué)這些文章不是很容易閱讀，大段大段的代碼，沒(méi)有圖片，沒(méi)有詳細(xì)的說(shuō)明，沒(méi)有比較，沒(méi)有舉一反三。不利于學(xué)習(xí)和閱讀，所以這是我想寫下這篇文章的原因。也希望大家多給我提意見(jiàn)。
言歸正傳，讓我們一起進(jìn)入虛函數(shù)的世界。
虛函數(shù)表
對(duì)C++ 了解的人都應(yīng)該知道虛函數(shù)（Virtual Function）是通過(guò)一張?zhí)摵瘮?shù)表（Virtual Table）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)稱為V-Table。在這個(gè)表中，主是要一個(gè)類的虛函數(shù)的地址表，這張表解決了繼承、覆蓋的問(wèn)題，保證其容真實(shí)反應(yīng)實(shí)際的函數(shù)。這樣，在有虛函數(shù)的類的實(shí)例中這個(gè)表被分配在了這個(gè)實(shí)例的內(nèi)存中，所以，當(dāng)我們用父類的指針來(lái)操作一個(gè)子類的時(shí)候，這張?zhí)摵瘮?shù)表就顯得由為重要了，它就像一個(gè)地圖一樣，指明了實(shí)際所應(yīng)該調(diào)用的函數(shù)。
這里我們著重看一下這張?zhí)摵瘮?shù)表。C++的編譯器應(yīng)該是保證虛函數(shù)表的指針存在于對(duì)象實(shí)例中最前面的位置（這是為了保證取到虛函數(shù)表的有最高的性能——如果有多層繼承或是多重繼承的情況下）。 這意味著我們通過(guò)對(duì)象實(shí)例的地址得到這張?zhí)摵瘮?shù)表，然后就可以遍歷其中函數(shù)指針，并調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。
聽(tīng)我扯了那么多，我可以感覺(jué)出來(lái)你現(xiàn)在可能比以前更加暈頭轉(zhuǎn)向了。 沒(méi)關(guān)系，下面就是實(shí)際的例子，相信聰明的你一看就明白了。
假設(shè)我們有這樣的一個(gè)類：
class Base {
public:
virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; }
virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; }
virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; }
};
按照上面的說(shuō)法，我們可以通過(guò)Base的實(shí)例來(lái)得到虛函數(shù)表。 下面是實(shí)際例程：
typedef void(*Fun)(void);
Base b;
Fun pFun = NULL;
cout << "虛函數(shù)表地址：" << (int*)(&b) << endl;
cout << "虛函數(shù)表 — 第一個(gè)函數(shù)地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;
// Invoke the first virtual function
pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
pFun();
實(shí)際運(yùn)行經(jīng)果如下：(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)
虛函數(shù)表地址：0012FED4
虛函數(shù)表 — 第一個(gè)函數(shù)地址：0044F148
Base::f
通過(guò)這個(gè)示例，我們可以看到，我們可以通過(guò)強(qiáng)行把&b轉(zhuǎn)成int *，取得虛函數(shù)表的地址，然后，再次取址就可以得到第一個(gè)虛函數(shù)的地址了，也就是Base::f()，這在上面的程序中得到了驗(yàn)證（把int* 強(qiáng)制轉(zhuǎn)成了函數(shù)指針）。通過(guò)這個(gè)示例，我們就可以知道如果要調(diào)用Base::g()和Base::h()，其代碼如下：
(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::f()
(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base::g()
(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h()
這個(gè)時(shí)候你應(yīng)該懂了吧。什么？還是有點(diǎn)暈。也是，這樣的代碼看著太亂了。沒(méi)問(wèn)題，讓我畫個(gè)圖解釋一下。如下所示：
注意：在上面這個(gè)圖中，我在虛函數(shù)表的最后多加了一個(gè)結(jié)點(diǎn)，這是虛函數(shù)表的結(jié)束結(jié)點(diǎn)，就像字符串的結(jié)束符“/0”一樣，其標(biāo)志了虛函數(shù)表的結(jié)束。這個(gè)結(jié)束標(biāo)志的值在不同的編譯器下是不同的。在WinXP+VS2003下，這個(gè)值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，這個(gè)值是如果1，表示還有下一個(gè)虛函數(shù)表，如果值是0，表示是最后一個(gè)虛函數(shù)表。
下面，我將分別說(shuō)明“無(wú)覆蓋”和“有覆蓋”時(shí)的虛函數(shù)表的樣子。沒(méi)有覆蓋父類的虛函數(shù)是毫無(wú)意義的。我之所以要講述沒(méi)有覆蓋的情況，主要目的是為了給一個(gè)對(duì)比。在比較之下，我們可以更加清楚地知道其內(nèi)部的具體實(shí)現(xiàn)。
一般繼承（無(wú)虛函數(shù)覆蓋）
下面，再讓我們來(lái)看看繼承時(shí)的虛函數(shù)表是什么樣的。假設(shè)有如下所示的一個(gè)繼承關(guān)系：
請(qǐng)注意，在這個(gè)繼承關(guān)系中，子類沒(méi)有重載任何父類的函數(shù)。那么，在派生類的實(shí)例中，其虛函數(shù)表如下所示：
對(duì)于實(shí)例：Derive d; 的虛函數(shù)表如下：
我們可以看到下面幾點(diǎn)：
1）虛函數(shù)按照其聲明順序放于表中。
2）父類的虛函數(shù)在子類的虛函數(shù)前面。
我相信聰明的你一定可以參考前面的那個(gè)程序，來(lái)編寫一段程序來(lái)驗(yàn)證。
一般繼承（有虛函數(shù)覆蓋）
覆蓋父類的虛函數(shù)是很顯然的事情，不然，虛函數(shù)就變得毫無(wú)意義。下面，我們來(lái)看一下，如果子類中有虛函數(shù)重載了父類的虛函數(shù)，會(huì)是一個(gè)什么樣子？假設(shè)，我們有下面這樣的一個(gè)繼承關(guān)系。
為了讓大家看到被繼承過(guò)后的效果，在這個(gè)類的設(shè)計(jì)中，我只覆蓋了父類的一個(gè)函數(shù)：f()。那么，對(duì)于派生類的實(shí)例，其虛函數(shù)表會(huì)是下面的一個(gè)樣子：
我們從表中可以看到下面幾點(diǎn)，
1）覆蓋的f()函數(shù)被放到了虛表中原來(lái)父類虛函數(shù)的位置。
2）沒(méi)有被覆蓋的函數(shù)依舊。
這樣，我們就可以看到對(duì)于下面這樣的程序，
Base *b = new Derive();
b->f();
由b所指的內(nèi)存中的虛函數(shù)表的f()的位置已經(jīng)被Derive::f()函數(shù)地址所取代，于是在實(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí)，是Derive::f()被調(diào)用了。這就實(shí)現(xiàn)了多態(tài)。
多重繼承（無(wú)虛函數(shù)覆蓋）
下面，再讓我們來(lái)看看多重繼承中的情況，假設(shè)有下面這樣一個(gè)類的繼承關(guān)系。注意：子類并沒(méi)有覆蓋父類的函數(shù)。
對(duì)于子類實(shí)例中的虛函數(shù)表，是下面這個(gè)樣子：
我們可以看到：
1） 每個(gè)父類都有自己的虛表。
2） 子類的成員函數(shù)被放到了第一個(gè)父類的表中。（所謂的第一個(gè)父類是按照聲明順序來(lái)判斷的）
這樣做就是為了解決不同的父類類型的指針指向同一個(gè)子類實(shí)例，而能夠調(diào)用到實(shí)際的函數(shù)。
多重繼承（有虛函數(shù)覆蓋）
下面我們?cè)賮?lái)看看，如果發(fā)生虛函數(shù)覆蓋的情況。
下圖中，我們?cè)谧宇愔懈采w了父類的f()函數(shù)。
下面是對(duì)于子類實(shí)例中的虛函數(shù)表的圖：
我們可以看見(jiàn)，三個(gè)父類虛函數(shù)表中的f()的位置被替換成了子類的函數(shù)指針。這樣，我們就可以任一靜態(tài)類型的父類來(lái)指向子類，并調(diào)用子類的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
每次寫C++的文章，總免不了要批判一下C++。這篇文章也不例外。通過(guò)上面的講述，相信我們對(duì)虛函數(shù)表有一個(gè)比較細(xì)致的了解了。水可載舟，亦可覆舟。下面，讓我們來(lái)看看我們可以用虛函數(shù)表來(lái)干點(diǎn)什么壞事吧。
一、通過(guò)父類型的指針訪問(wèn)子類自己的虛函數(shù)
我們知道，子類沒(méi)有重載父類的虛函數(shù)是一件毫無(wú)意義的事情。因?yàn)槎鄳B(tài)也是要基于函數(shù)重載的。雖然在上面的圖中我們可以看到Base1的虛表中有Derive的虛函數(shù)，但我們根本不可能使用下面的語(yǔ)句來(lái)調(diào)用子類的自有虛函數(shù)：
Base1 *b1 = new Derive();
b1->f1(); //編譯出錯(cuò)
任何妄圖使用父類指針想調(diào)用子類中的未覆蓋父類的成員函數(shù)的行為都會(huì)被編譯器視為非法，所以，這樣的程序根本無(wú)法編譯通過(guò)。但在運(yùn)行時(shí)，我們可以通過(guò)指針的方式訪問(wèn)虛函數(shù)表來(lái)達(dá)到違反C++語(yǔ)義的行為。（關(guān)于這方面的嘗試，通過(guò)閱讀后面附錄的代碼，相信你可以做到這一點(diǎn)）
二、訪問(wèn)non-public的虛函數(shù)
另外，如果父類的虛函數(shù)是private或是protected的，但這些非public的虛函數(shù)同樣會(huì)存在于虛函數(shù)表中，所以，我們同樣可以使用訪問(wèn)虛函數(shù)表的方式來(lái)訪問(wèn)這些non-public的虛函數(shù)，這是很容易做到的。
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();
}
結(jié)束語(yǔ)
C++這門語(yǔ)言是一門Magic的語(yǔ)言，對(duì)于程序員來(lái)說(shuō)，我們似乎永遠(yuǎn)摸不清楚這門語(yǔ)言背著我們?cè)诟闪耸裁础Ｐ枰煜み@門語(yǔ)言，我們就必需要了解C++里面的那些東西，需要去了解C++中那些危險(xiǎn)的東西。不然，這是一種搬起石頭砸自己腳的編程語(yǔ)言。
在文章束之前還是介紹一下自己吧。我從事軟件研發(fā)有十個(gè)年頭了，目前是軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)主管，技術(shù)方面，主攻Unix/C/C++，比較喜歡網(wǎng)絡(luò)上的技術(shù)，比如分布式計(jì)算，網(wǎng)格計(jì)算，P2P，Ajax等一切和互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的東西。管理方面比較擅長(zhǎng)于團(tuán)隊(duì)建設(shè)，技術(shù)趨勢(shì)分析，項(xiàng)目管理。歡迎大家和我交流，我的MSN和Email是：haoel@hotmail.com
附錄一：VC中查看虛函數(shù)表
我們可以在VC的IDE環(huán)境中的Debug狀態(tài)下展開(kāi)類的實(shí)例就可以看到虛函數(shù)表了（并不是很完整的）
附錄 二：例程
下面是一個(gè)關(guān)于多重繼承的虛函數(shù)表訪問(wèn)的例程：
#include <iostream>
using namespace std;
class Base1 {
public:
virtual void f() { cout << "Base1::f" << endl; }
virtual void g() { cout << "Base1::g" << endl; }
virtual void h() { cout << "Base1::h" << endl; }
};
class Base2 {
public:
virtual void f() { cout << "Base2::f" << endl; }
virtual void g() { cout << "Base2::g" << endl; }
virtual void h() { cout << "Base2::h" << endl; }
};
class Base3 {
public:
virtual void f() { cout << "Base3::f" << endl; }
virtual void g() { cout << "Base3::g" << endl; }
virtual void h() { cout << "Base3::h" << endl; }
};
class Derive : public Base1, public Base2, public Base3 {
public:
virtual void f() { cout << "Derive::f" << endl; }
virtual void g1() { cout << "Derive::g1" << endl; }
};
typedef void(*Fun)(void);
int main()
{
Fun pFun = NULL;
Derive d;
int** pVtab = (int**)&d;
//Base1's vtable
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+0);
pFun = (Fun)pVtab[0][0];
pFun();
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+1);
pFun = (Fun)pVtab[0][1];
pFun();
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+2);
pFun = (Fun)pVtab[0][2];
pFun();
//Derive's vtable
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+3);
pFun = (Fun)pVtab[0][3];
pFun();
//The tail of the vtable
pFun = (Fun)pVtab[0][4];
cout<<pFun<<endl;
//Base2's vtable
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0);
pFun = (Fun)pVtab[1][0];
pFun();
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1);
pFun = (Fun)pVtab[1][1];
pFun();
pFun = (Fun)pVtab[1][2];
pFun();
//The tail of the vtable
pFun = (Fun)pVtab[1][3];
cout<<pFun<<endl;
//Base3's vtable
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0);
pFun = (Fun)pVtab[2][0];
pFun();
//pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1);
pFun = (Fun)pVtab[2][1];
pFun();
pFun = (Fun)pVtab[2][2];
pFun();
//The tail of the vtable
pFun = (Fun)pVtab[2][3];
cout<<pFun<<endl;
return 0;
}
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