C++虚函数表解析[转蝲]

OxFAN — Thu, 30 Apr 2009 03:02:00 GMT

(注：个�h觉得�q�篇文章不错故�{载了)

C++中的虚函数的作用主要是实��C��多态的机制。关于多态，��而言之就是用父类型别的指针指向其子类的实例，然后通过父类的指针调用实际子�cȝ��成员函数。这�U�技术可以让父类的指针有“多种形�?#8221;�Q�这是一�U�泛型技术。所谓泛型技术，说白了就是试图��用不变的代码来实现可变的��法。比如：模板技术，RTTI技术，虚函数技术，要么是试囑ց�到在�~�译时决议，要么试图做到�q�行时决议�?/p>

关于虚函数的使用�Ҏ��Q�我在这里不做过多的阐述。大家可以看看相关的C++的书�c�。在�q�篇文章中，我只想从虚函数的实现机制上面为大�?一个清晰的剖析�?/p>

当然�Q�相同的文章在网上也出现�q�一些了�Q�但我��L��觉这些文章不是很�Ҏ��阅读�Q�大�D�大�D늚�代码�Q�没有图片，没有详细的说明，没有比较�Q�没有�D一反三。不利于学习和阅读，所以这是我惛_��下这��文章的原因。也希望大家多给我提意见�?/p>

�a�归正传，让我们一赯��入虚函数的世界�?/p>

虚函数表

对C++ 了解的�h都应该知道虚函数�Q�Virtual Function�Q�是通过一张虚函数表（Virtual Table�Q�来实现的。简�U�CؓV-Table�?在这个表中，��L��要一个类的虚函数的地址表，�q�张表解决了�l�承、覆盖的问题�Q�保证其容真实反应实际的函数。这��P��在有虚函数的�cȝ��实例中这个表被分配在�?�q�个实例的内存中�Q�所以，当我们用父类的指针来操作一个子�cȝ��时候，�q�张虚函数表��显得由为重要了�Q�它��像一个地图一��P��指明了实际所应该调用的函数�?/p>

�q�里我们着重看一下这张虚函数表。在C++的标准规��D��明书中说刎ͼ��~�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�|�（�q�是��Z��保证正确取到虚函数的偏移量）�?�q�意味着我们通过对象实例的地址得到�q�张虚函数表�Q�然后就可以遍历其中函数指针�Q��ƈ调用相应的函数�?/p>

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�{向了�?没关�p�，下面��是实际的例子，�怿�聪明的你一看就明白了�?/p>

假设我们有这��L��一个类�Q?/p>

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�E�：

typedef void(*Fun)(void);

Base b;

Fun pFun = NULL;

cout << "虚函数表地址�Q? << (int*)(&b) << endl;

cout << "虚函数表 �?�W�一个函数地址�Q? << (int*)*(int*)(&b) << endl;

// Invoke the first virtual function

pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));

pFun();

实际�q�行�l�果如下�Q?Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)

虚函数表地址�Q?012FED4

虚函数表 �?�W�一个函数地址�Q?044F148

Base::f

通过�q�个�C�Z��Q�我们可以看刎ͼ�我们可以通过��?amp;b转成int *�Q�取得虚函数表的地址�Q�然后，再次取址��可以得到第一个虚函数的地址了，也就是Base::f()�Q�这在上面的�E�序中得��C��验证�Q�把int* 强制转成了函数指针）。通过�q�个�C�Z��Q�我们就可以知道如果要调用Base::g()和Base::h()�Q�其代码如下�Q?/p>

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

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

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

�q�个时候你应该懂了吧。什么？�q�是有点晕。也是，�q�样的代码看着太�ؕ了。没问题�Q�让我画个图解释一下。如下所�C�：

注意�Q�在上面�q�个图中�Q�我在虚函数表的最后多加了一个结点，�q�是虚函数表的结束结点，��像字符串的�l�束�W?#8220;\0”一��P��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，�q�个值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，�q�个值是如果1�Q�表�C��有下一个虚函数表，如果值是0�Q�表�C�是最后一个虚函数表�?/p>

下面�Q�我��分别说�?#8220;无覆�?#8221;�?#8220;有覆�?#8221;时的虚函数表的样子。没有覆盖父�cȝ��虚函数是毫无意义的。我之所以要讲述没有覆盖的情况，主要目的是�ؓ了给一个对比。在比较之下�Q�我们可以更加清楚地知道其内部的具体实现�?/p>

一般��承（无虚函数覆盖�Q?/h3>
下面�Q�再让我们来看看�l�承时的虚函数表是什么样的。假设有如下所�C�的一个��承关�p�：
��h��意，在这个��承关�p�M��Q�子�c�L��有重载�Q何父�cȝ��函数。那么，在派生类的实例中�Q�其虚函数表如下所�C�：
对于实例�Q�Derive d; 的虚函数表如下：
我们可以看到下面几点�Q?/p>
1�Q�虚函数按照其声明顺序放于表中�?/p>
2�Q�父�cȝ��虚函数在子类的虚函数前面�?/p>
我相信聪明的你一定可以参考前面的那个�E�序�Q�来�~�写一�D늨�序来验证�?/p>

一般��承（有虚函数覆盖�Q?/h3>
覆盖父类的虚函数是很昄��的事情，不然�Q�虚函数��变得毫无意义。下面，我们来看一下，如果子类中有虚函数重载了父类的虚函数�Q�会是一个什么样子？假设�Q�我们有下面�q�样的一个��承关�p�R�?/p>
��Z��让大家看到被�l�承�q�后的效果，在这个类的设计中�Q�我只覆盖了父类的一个函敎ͼ�f()。那么，对于�z��cȝ��实例�Q�其虚函数表会是下面的一个样子：
我们从表中可以看��C��面几点，
1�Q�覆盖的f()函数被放��C��虚表中原来父�c�虚函数的位�|��?/p>
2�Q�没有被覆盖的函��C��旧�?/p>
�q�样�Q�我们就可以看到对于下面�q�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�|�已�l�被Derive::f()函数地址所取代�Q�于是在实际调用发生�Ӟ��是Derive::f()被调用了。这��实��C��多态�?/p>

多重�l�承�Q�无虚函数覆盖）

下面�Q�再让我们来看看多重�l�承中的情况�Q�假设有下面�q�样一个类的��承关�p�R��注意：子类�q�没有覆盖父�cȝ��函数�?/p>

对于子类实例中的虚函数表�Q�是下面�q�个样子�Q?/p>

我们可以看到�Q?/p>

1�Q?每个父类都有自己的虚表�?/p>

2�Q?子类的成员函数被攑ֈ�了第一个父�cȝ��表中。（所谓的�W�一个父�c�L��按照声明��序来判断的�Q?/p>

�q�样做就是�ؓ了解决不同的父类�c�d��的指针指向同一个子�c�d��例，而能够调用到实际的函数�?/p>

多重�l�承�Q�有虚函数覆盖）

下面我们再来看看�Q�如果发生虚函数覆盖的情��c�?/p>

下图中，我们在子�c�M��覆盖了父�cȝ��f()函数�?/p>

下面是对于子�c�d��例中的虚函数表的图：

我们可以看见�Q�三个父�c�虚函数表中的f()的位�|�被替换成了子类的函数指针。这��P��我们��可以�Q一静态类型的父类来指向子�c�，�q�调用子�cȝ��f()了。如�Q?/p>

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�?/h3>
每次写C++的文章，��d��不了要批判一下C++。这��文章也不例外。通过上面的讲�q�ͼ��怿�我们对虚函数表有一个比较细致的了解了。水可蝲舟，亦可覆舟。下面，让我们来看看我们可以用虚函数表来�q�点什么坏事吧�?/p>
一、通过父类型的指针讉K��子类自己的虚函数
我们知道�Q�子�c�L��有重载父�cȝ��虚函数是一件毫无意义的事情。因为多态也是要��Z��函数重蝲的。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�Q�但我们�Ҏ��不可能��用下面的语句来调用子�cȝ��自有虚函敎ͼ�
Base1 b1 = new Derive();
b1->f1(); //�~�译出错
��M��妄图使用父类指针惌��用子�c�M��?strong>未覆盖父�cȝ��成员函数的行为都会被�~�译器视为非法，所以，�q�样的程序根本无法编译通过。但在运行时�Q�我们可以通过指针的方式访问虚函数表来辑ֈ��q�反C++语义的行为。（关于�q�方面的��试�Q�通过阅读后面附录的代码，�怿�你可以做到这一点）
二、访问non-public的虚函数
另外�Q�如果父�cȝ��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，我们同样可以使用讉K��虚函数表的方式来讉K��q�些non-public的虚函数�Q�这是很�Ҏ��做到的�?/p>
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();
}

�l�束�?/h3>
C++�q�门语言是一门Magic的语�a��Q�对于程序员来说�Q�我们似乎永�q�摸不清楚这门语�a�背着我们在干了什么。需要熟悉这门语�a��Q�我们就必需要了解C++里面的那些东西，需要去了解C++中那些危险的东西。不�Ӟ��q�是一�U�搬��L��头砸自己脚的�~�程语言�?/p>

OxFAN 2009-04-30 11:02 发表评论

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C++虚函数表解析[转蝲]

虚函数表

多重�l�承�Q�无虚函数覆盖）

多重�l�承�Q�有虚函数覆盖）