關(guān)于C++虛函數(shù)工作原理的介紹

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)關(guān)于C++虛函數(shù)工作原理的介紹，小編覺(jué)得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

靜態(tài)綁定與動(dòng)態(tài)綁定

討論靜態(tài)綁定與動(dòng)態(tài)綁定，首先需要理解的是綁定，何為綁定？函數(shù)調(diào)用與函數(shù)本身的關(guān)聯(lián)，以及成員訪問(wèn)與變量?jī)?nèi)存地址間的關(guān)系，稱為綁定。 理解了綁定后再理解靜態(tài)與動(dòng)態(tài)。

• 靜態(tài)綁定：指在程序編譯過(guò)程中，把函數(shù)調(diào)用與響應(yīng)調(diào)用所需的代碼結(jié)合的過(guò)程，稱為靜態(tài)綁定。發(fā)生在編譯期。
• 動(dòng)態(tài)綁定：指在執(zhí)行期間判斷所引用對(duì)象的實(shí)際類型，根據(jù)實(shí)際的類型調(diào)用其相應(yīng)的方法。程序運(yùn)行過(guò)程中，把函數(shù)調(diào)用與響應(yīng)調(diào)用所需的代碼相結(jié)合的過(guò)程稱為動(dòng)態(tài)綁定。發(fā)生于運(yùn)行期。
   

C++中動(dòng)態(tài)綁定

在C++中動(dòng)態(tài)綁定是通過(guò)虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，是多態(tài)實(shí)現(xiàn)的具體形式。而虛函數(shù)是通過(guò)虛函數(shù)表實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)表中記錄了虛函數(shù)的地址，解決繼承、覆蓋的問(wèn)題，保證動(dòng)態(tài)綁定時(shí)能夠根據(jù)對(duì)象的實(shí)際類型調(diào)用正確的函數(shù)。這個(gè)虛函數(shù)表在什么地方呢？C++標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格說(shuō)明書(shū)中說(shuō)到，編譯器必須要保證虛函數(shù)表的指針存在于對(duì)象實(shí)例中最前面的位置（這是為了保證正確取到虛函數(shù)的偏移量）。也就是說(shuō)，我們可以通過(guò)對(duì)象實(shí)例的地址得到這張?zhí)摵瘮?shù)表，然后可以遍歷其中的函數(shù)指針，并調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。

虛函數(shù)的工作原理

要想弄明白動(dòng)態(tài)綁定，就必須弄懂虛函數(shù)的工作原理。C++中虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)一般是通過(guò)虛函數(shù)表實(shí)現(xiàn)的（C++規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定具體用哪種方法，但大部分的編譯器廠商都選擇此方法）。類的虛函數(shù)表是一塊連續(xù)的內(nèi)存，每個(gè)內(nèi)存單元中記錄一個(gè)JMP指令的地址。編譯器會(huì)為每個(gè)有虛函數(shù)的類創(chuàng)建一個(gè)虛函數(shù)表，該虛函數(shù)表將被該類的所有對(duì)象共享。 類的每個(gè)虛成員占據(jù)虛函數(shù)表中的一行。如果類中有N個(gè)虛函數(shù)，那么其虛函數(shù)表將有N*4字節(jié)的大小。

虛函數(shù)（virtual）是通過(guò)虛函數(shù)表來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在這個(gè)表中，主要是一個(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，保證其真實(shí)反映實(shí)際的函數(shù)。這樣，在有虛函數(shù)的類的實(shí)例中分配了指向這個(gè)表的指針的內(nèi)存（位于對(duì)象實(shí)例的最前面），所以，當(dāng)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)表就顯得尤為重要，指明了實(shí)際所應(yīng)調(diào)用的函數(shù)。它是如何指明的呢？后面會(huì)講到。

JMP指令是匯編語(yǔ)言中的無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令，無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令可轉(zhuǎn)到內(nèi)存中任何程序段。轉(zhuǎn)移地址可在指令中給出，也可以在寄存器中給出，或在儲(chǔ)存器中指出。

首先我們定義一個(gè)帶有虛函數(shù)的基類

class Base
{
public:
	virtual void fun1(){
		cout<<"base fun1!\n";
	}
	virtual void fun2(){
		cout<<"base fun2!\n";
	}
	virtual void fun3(){
		cout<<"base fun3!\n";
	}

	int a;
};

我們可以看到在Base類的內(nèi)存布局上，第一個(gè)位置上存放虛函數(shù)表指針，接下來(lái)才是Base的成員變量。另外，存在著虛函數(shù)表，該表里存放著B(niǎo)ase類的所有virtual函數(shù)。

既然虛函數(shù)表指針通常放在對(duì)象實(shí)例的最前面的位置，那么我們應(yīng)該可以通過(guò)代碼來(lái)訪問(wèn)虛函數(shù)表，通過(guò)下面這段代碼加深對(duì)虛函數(shù)表的理解：

#include "stdafx.h"
#include<iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
	virtual void fun1(){
		cout<<"base fun1!\n";
	}
	virtual void fun2(){
		cout<<"base fun2!\n";
	}
	virtual void fun3(){
		cout<<"base fun3!\n";
	}

	int a;
};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	typedef void(*pFunc)(void);
	Base b;
	cout<<"虛函數(shù)表指針地址："<<(int*)(&b)<<endl;

	//對(duì)象最前面是指向虛函數(shù)表的指針，虛函數(shù)表中存放的是虛函數(shù)的地址
	pFunc pfun;
	pfun=(pFunc)*((int*)(*(int*)(&b))); //這里存放的都是地址，所以才一層又一層的指針
	pfun();
	pfun=(pFunc)*((int*)(*(int*)(&b))+1);
	pfun();
	pfun=(pFunc)*((int*)(*(int*)(&b))+2);
	pfun();

	system("pause");
	return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果：

通過(guò)這個(gè)例子，對(duì)虛函數(shù)表指針，虛函數(shù)表這些有了足夠的理解。下面再深入一些。C++又是如何利用基類指針和虛函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)的呢？這里，我們就需要弄明白在繼承環(huán)境下虛函數(shù)表是如何工作的。目前只理解單繼承，至于虛繼承，多重繼承待以后再理解。

單繼承代碼如下：

class Base
{
public:
	virtual void fun1(){
		cout<<"base fun1!\n";
	}
	virtual void fun2(){
		cout<<"base fun2!\n";
	}
	virtual void fun3(){
		cout<<"base fun3!\n";
	}

	int a;
};

class Child:public Base
{
public:
	void fun1(){
		cout<<"Child fun1\n";
	}
	void fun2(){
		cout<<"Child fun2\n";
	}
	virtual void fun4(){
		cout<<"Child fun4\n";
	}
};

內(nèi)存布局對(duì)比：

通過(guò)對(duì)比，我們可以看到：

• 在單繼承中，Child類覆蓋了Base類中的同名虛函數(shù)，在虛函數(shù)表中體現(xiàn)為對(duì)應(yīng)位置被Child類中的新函數(shù)替換，而沒(méi)有被覆蓋的函數(shù)則沒(méi)有發(fā)生變化。
• 對(duì)于子類自己的虛函數(shù)，直接添加到虛函數(shù)表后面。
   

另外，我們注意到，類Child和類Base中都只有一個(gè)vfptr指針，前面我們說(shuō)過(guò)，該指針指向虛函數(shù)表，我們分別輸出類Child和類Base的vfptr:

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	typedef void(*pFunc)(void);
	Base b;
	Child c;
	cout<<"Base類的虛函數(shù)表指針地址："<<(int*)(&b)<<endl;
	cout<<"Child類的虛函數(shù)表指針地址："<<(int*)(&c)<<endl;

	system("pause");
	return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果：

可以看到，類Child和類Base分別擁有自己的虛函數(shù)表指針vfptr和虛函數(shù)表vftable。

下面這段代碼，說(shuō)明了父類和基類擁有不同的虛函數(shù)表，同一個(gè)類擁有相同的虛函數(shù)表，同一個(gè)類的不同對(duì)象的地址（存放虛函數(shù)表指針的地址）不同。

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	Base b;
	Child c1,c2;
	cout<<"Base類的虛函數(shù)表的地址："<<(int*)(*(int*)(&b))<<endl;
	cout<<"Child類c1的虛函數(shù)表的地址："<<(int*)(*(int*)(&c1))<<endl;	//虛函數(shù)表指針指向的地址值
	cout<<"Child類c2的虛函數(shù)表的地址："<<(int*)(*(int*)(&c2))<<endl;

	system("pause");
	return 0;
}

在定義該派生類對(duì)象時(shí)，先調(diào)用其基類的構(gòu)造函數(shù)，然后再初始化vfptr，最后再調(diào)用派生類的構(gòu)造函數(shù)（ 從二進(jìn)制的視野來(lái)看，所謂基類子類是一個(gè)大結(jié)構(gòu)體，其中this指針開(kāi)頭的四個(gè)字節(jié)存放虛函數(shù)表頭指針。執(zhí)行子類的構(gòu)造函數(shù)的時(shí)候，首先調(diào)用基類構(gòu)造函數(shù)，this指針作為參數(shù)，在基類構(gòu)造函數(shù)中填入基類的vfptr，然后回到子類的構(gòu)造函數(shù)，填入子類的vfptr，覆蓋基類填入的vfptr。如此以來(lái)完成vfptr的初始化)。也就是說(shuō)，vfptr指向vftable發(fā)生在構(gòu)造函數(shù)期間完成的。

動(dòng)態(tài)綁定例子：

#include "stdafx.h"
#include<iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
	virtual void fun1(){
		cout<<"base fun1!\n";
	}
	virtual void fun2(){
		cout<<"base fun2!\n";
	}
	virtual void fun3(){
		cout<<"base fun3!\n";
	}

	int a;
};

class Child:public Base
{
public:
	void fun1(){
		cout<<"Child fun1\n";
	}
	void fun2(){
		cout<<"Child fun2\n";
	}
	virtual void fun4(){
		cout<<"Child fun4\n";
	}
};


int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
	Base* p=new Child;
	p->fun1();
	p->fun2();
	p->fun3();

	system("pause");
	return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果：

結(jié)合上面的內(nèi)存布局：

其實(shí)，在new Child時(shí)構(gòu)造了一個(gè)子類的對(duì)象，子類對(duì)象按上面所講，在構(gòu)造函數(shù)期間完成虛函數(shù)表指針vfptr指向Child類的虛函數(shù)表，將這個(gè)對(duì)象的地址賦值給了Base類型的指針p，當(dāng)調(diào)用p->fun1()時(shí)，發(fā)現(xiàn)是虛函數(shù)，調(diào)用虛函數(shù)指針查找虛函數(shù)表中對(duì)應(yīng)虛函數(shù)的地址，這里就是&Child::fun1。調(diào)用p->fun2()情況相同。調(diào)用p->fun3()時(shí)，子類并沒(méi)有重寫(xiě)父類虛函數(shù)，但依舊通過(guò)調(diào)用虛函數(shù)指針查找虛函數(shù)表，發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)函數(shù)地址是&Base::fun3。所以上面的運(yùn)行結(jié)果如上圖所示。

到這里，你是否已經(jīng)明白為什么指向子類實(shí)例的基類指針可以調(diào)用子類（虛）函數(shù)？每一個(gè)實(shí)例對(duì)象中都存在一個(gè)vfptr指針，編譯器會(huì)先取出vfptr的值，這個(gè)值就是虛函數(shù)表vftable的地址，再根據(jù)這個(gè)值來(lái)到vftable中調(diào)用目標(biāo)函數(shù)。所以，只要vfptr不同，指向的虛函數(shù)表vftable就不同，而不同的虛函數(shù)表中存放著對(duì)應(yīng)類的虛函數(shù)地址，這樣就實(shí)現(xiàn)了多態(tài)的”效果“。

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