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            yehao's Blog

            C++ 虛函數(shù)表解析

            本文來(lái)自CSDN博客,轉(zhuǎn)載請(qǐng)標(biāo)明出處:http://blog.csdn.net/haoel/archive/2007/12/18/1948051.aspx

            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(lèi)型別的指針指向其子類(lèi)的實(shí)例,然后通過(guò)父類(lèi)的指針調(diào)用實(shí)際子類(lèi)的成員函數(shù)。這種技術(shù)可以讓父類(lèi)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(shū)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(xiě)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(chēng)為V-Table。在這個(gè)表中,主是要一個(gè)類(lèi)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(lèi)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(lèi)的指針來(lái)操作一個(gè)子類(lèi)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(lèi):

             

            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(huà)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(lèi)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(lèi)沒(méi)有重載任何父類(lèi)的函數(shù)。那么,在派生類(lèi)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(lèi)的虛函數(shù)在子類(lèi)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(xiě)一段程序來(lái)驗(yàn)證。

             

             

             

            一般繼承(有虛函數(shù)覆蓋)

             

            覆蓋父類(lèi)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(lèi)中有虛函數(shù)重載了父類(lèi)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(lèi)的設(shè)計(jì)中,我只覆蓋了父類(lèi)的一個(gè)函數(shù):f()。那么,對(duì)于派生類(lèi)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(lèi)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();

             

            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(lèi)的繼承關(guān)系。注意:子類(lèi)并沒(méi)有覆蓋父類(lèi)的函數(shù)。

             

             

             

            對(duì)于子類(lèi)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(lèi)都有自己的虛表。

            2) 子類(lèi)的成員函數(shù)被放到了第一個(gè)父類(lèi)的表中。(所謂的第一個(gè)父類(lèi)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(lèi)類(lèi)型的指針指向同一個(gè)子類(lèi)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?lèi)中覆蓋了父類(lèi)的f()函數(shù)。

             

             

            下面是對(duì)于子類(lèi)實(shí)例中的虛函數(shù)表的圖:

             

             

            我們可以看見(jiàn),三個(gè)父類(lèi)虛函數(shù)表中的f()的位置被替換成了子類(lèi)的函數(shù)指針。這樣,我們就可以任一靜態(tài)類(lèi)型的父類(lèi)來(lái)指向子類(lèi),并調(diào)用子類(lèi)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(xiě)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(lèi)型的指針訪問(wèn)子類(lèi)自己的虛函數(shù)
            我們知道,子類(lèi)沒(méi)有重載父類(lèi)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(lèi)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(lèi)指針想調(diào)用子類(lèi)中的未覆蓋父類(lèi)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(lèi)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(mén)語(yǔ)言是一門(mén)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(mén)語(yǔ)言背著我們?cè)诟闪耸裁础P枰煜み@門(mén)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(lèi)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;
            }

            posted on 2011-04-24 19:07 厚積薄發(fā) 閱讀(201) 評(píng)論(0)  編輯 收藏 引用 所屬分類(lèi): C/C++

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