C++虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制是什么

這篇文章主要講解了“C++虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制是什么”，文中的講解內(nèi)容簡(jiǎn)單清晰，易于學(xué)習(xí)與理解，下面請(qǐng)大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來(lái)研究和學(xué)習(xí)“C++虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制是什么”吧！

目錄

• 1、虛函數(shù)簡(jiǎn)介

• 2、虛函數(shù)表簡(jiǎn)介

• 3、有繼承關(guān)系的虛函數(shù)表剖析

• 3.1、單繼承無(wú)虛函數(shù)覆蓋的情況

• 3.2、單繼承有虛函數(shù)覆蓋的情況

• 3.3、多重繼承的情況

• 3.4、多層繼承的情況

• 4、總結(jié)

1、虛函數(shù)簡(jiǎn)介

C++中有兩種方式實(shí)現(xiàn)多態(tài)，即重載和覆蓋。

• 重載：是指允許存在多個(gè)同名函數(shù)，而這些函數(shù)的參數(shù)表不同（參數(shù)個(gè)數(shù)不同、參數(shù)類型不同或者兩者都不同）。

• 覆蓋：是指子類重新定義父類虛函數(shù)的做法，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)可以讓父類的指針擁有“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：模板元編程是在編譯期完成的泛型技術(shù)，RTTI、虛函數(shù)則是在運(yùn)行時(shí)完成的泛型技術(shù)。
  

關(guān)于虛函數(shù)的具體使用方法，建議大家先去閱讀相關(guān)的C++的書籍，本文只剖析虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，讓大家對(duì)虛函數(shù)有一個(gè)更加清晰的認(rèn)識(shí)，并不對(duì)虛函數(shù)的具體使用方法作過(guò)多介紹。本文是依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和查閱相關(guān)資料最終編寫的，如有錯(cuò)漏，希望大家多多指正。

2、虛函數(shù)表簡(jiǎn)介

學(xué)過(guò)C++的人都應(yīng)該知道虛函數(shù)（Virtual Function）是通過(guò)虛函數(shù)表（Virtual Table，簡(jiǎn)稱為V-Table）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。虛函數(shù)表主要存儲(chǔ)的是指向一個(gè)類的虛函數(shù)地址的指針，通過(guò)使用虛函數(shù)表，繼承、覆蓋的問(wèn)題都都得到了解決。假如一個(gè)類有虛函數(shù)，當(dāng)我們構(gòu)建這個(gè)類的實(shí)例時(shí)，將會(huì)額外分配一個(gè)指向該類虛函數(shù)表的指針，當(dāng)我們用父類的指針來(lái)操作一個(gè)子類的時(shí)候，這個(gè)指向虛函數(shù)表的指針就派上用場(chǎng)了，它指明了此時(shí)應(yīng)該使用哪個(gè)虛函數(shù)表，而虛函數(shù)表本身就像一個(gè)地圖一樣，為編譯器指明了實(shí)際所應(yīng)該調(diào)用的函數(shù)。指向虛函數(shù)表的指針是存在于對(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），這就意味著理論上我們可以通過(guò)對(duì)象實(shí)例的地址得到這張?zhí)摵瘮?shù)表（實(shí)際上確實(shí)可以做到），然后對(duì)虛函數(shù)表進(jìn)行遍歷，并調(diào)用其中的函數(shù)。

前面說(shuō)了一大堆理論，中看不中用，下面還是通過(guò)一個(gè)實(shí)際的例子驗(yàn)證一下前面講的內(nèi)容，首先定義一個(gè)Base類，該類有三個(gè)虛函數(shù)，代碼如下：

#include <iostream>
#include <string>

typedef void (*Fun)(void);

class Base
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "Base::f()" << std::endl;
    }

    virtual void g()
    {
        std::cout << "Base::g()" << std::endl;
    }

    virtual void h()
    {
        std::cout << "Base::h()" << std::endl;
    }
};

接下來(lái)按照前面的說(shuō)法，我們通過(guò)Base類的實(shí)例對(duì)象base來(lái)獲取虛函數(shù)表，代碼如下：

int main(int argc, char* argv[])
{
    Base base;
    Fun fun = nullptr;

    std::cout << "指向虛函數(shù)表指針的地址：" << (long*)(&base) << std::endl;
    std::cout << "虛函數(shù)表的地址：" << (long*)*(long*)(&base) << std::endl;

    fun = (Fun)*((long*)*(long*)(&base));
    std::cout << "虛函數(shù)表中第一個(gè)函數(shù)的地址：" << (long*)fun << std::endl;
    fun();

    fun = (Fun)*((long*)*(long*)(&base) + 1);
    std::cout << "虛函數(shù)表中第二個(gè)函數(shù)的地址：" << (long*)fun << std::endl;
    fun();

    fun = (Fun)*((long*)*(long*)(&base) + 2);
    std::cout << "虛函數(shù)表中第三個(gè)函數(shù)的地址：" << (long*)fun << std::endl;
    fun();
}

運(yùn)行結(jié)果圖2-1所示（Linux 3.10.0 + GCC 4.8.5）：

在上面的例子中我們通過(guò)把&base強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成long *，來(lái)取得指向虛函數(shù)表的指針的地址，然后對(duì)這個(gè)地址取值就可以得到對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)表了。得到對(duì)應(yīng)虛函數(shù)表的首地址后，就可以通過(guò)不斷偏移該地址，依次得到指向真實(shí)虛函數(shù)的指針了。這么說(shuō)有點(diǎn)繞也有點(diǎn)暈，下面通過(guò)一幅圖解釋一下前面說(shuō)的內(nèi)容，詳見(jiàn)圖2-2

當(dāng)然，上述內(nèi)容也可以在GDB中調(diào)試驗(yàn)證，后續(xù)的內(nèi)容也將全部在GDB下直接驗(yàn)證，調(diào)試的示例見(jiàn)圖2-3：

3、有繼承關(guān)系的虛函數(shù)表剖析

前面分析虛函數(shù)表的場(chǎng)景是沒(méi)有繼承關(guān)系的，然而在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，沒(méi)有繼承關(guān)系的虛函數(shù)純屬浪費(fèi)表情，所以接下來(lái)我們就來(lái)看看有繼承關(guān)系下虛函數(shù)表會(huì)呈現(xiàn)出什么不一樣的特點(diǎn)，分析的時(shí)候會(huì)分別就單繼承無(wú)虛函數(shù)覆蓋、單繼承有虛函數(shù)覆蓋、多重繼承、多層繼承這幾個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行說(shuō)明。

3.1、單繼承無(wú)虛函數(shù)覆蓋的情況

先定義一個(gè)Base類，再定義一個(gè)Derived類，Derived類繼承于Base類，代碼如下：

#include <iostream>
#include <string>

class Base
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "Base::f()" << std::endl;
    }

    virtual void g()
    {
        std::cout << "Base::g()" << std::endl;
    }

    virtual void h()
    {
        std::cout << "Base::h()" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base
{
public:
    virtual void f1()
    {
        std::cout << "Derived::f1()" << std::endl;
    }

    virtual void g1()
    {
        std::cout << "Derived::g1()" << std::endl;
    }

    virtual void h2()
    {
        std::cout << "Derived::h2()" << std::endl;
    }
};

繼承關(guān)系如圖3-1所示：

測(cè)試的代碼如下，因?yàn)榈认乱褂肎DB來(lái)驗(yàn)證，所以就隨便寫點(diǎn)，定義個(gè)Derived類實(shí)例就行了

int main(int argc, char* argv[])
{
    Derived derived;
    derived.f();
}

派生類Derived的虛函數(shù)表內(nèi)存布局如圖3-2所示：

接下來(lái)就用GDB調(diào)試一下，驗(yàn)證上圖的內(nèi)存布局是否正確，如圖3-3所示：

從調(diào)試結(jié)果可以看出圖3-2是正確的，Derived的虛函數(shù)表中先放Base的虛函數(shù)，再放Derived的虛函數(shù)。

3.2、單繼承有虛函數(shù)覆蓋的情況

派生類覆蓋基類的虛函數(shù)是很有必要的事情，不這么做的話虛函數(shù)的存在將毫無(wú)意義。下面我們就來(lái)看一下如果派生類中有虛函數(shù)覆蓋了基類的虛函數(shù)的話，對(duì)應(yīng)的虛函數(shù)表會(huì)是一個(gè)什么樣子。還是老規(guī)矩先定義兩個(gè)有繼承關(guān)系的類，注意一下我這里只覆蓋了基類的g()

#include <iostream>
#include <string>

class Base
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "Base::f()" << std::endl;
    }

    virtual void g()
    {
        std::cout << "Base::g()" << std::endl;
    }

    virtual void h()
    {
        std::cout << "Base::h()" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base
{
public:
    virtual void f1()
    {
        std::cout << "Derived::f1()" << std::endl;
    }

    virtual void g()
    {
        std::cout << "Derived::g()" << std::endl;
    }

    virtual void h2()
    {
        std::cout << "Derived::h2()" << std::endl;
    }
};

繼承關(guān)系如圖3-4所示：

測(cè)試的代碼如下，因?yàn)榈认乱褂肎DB來(lái)驗(yàn)證，所以就隨便寫點(diǎn)，定義個(gè)Derived類實(shí)例就行了

int main(int argc, char* argv[])
{
    Derived derived;
    derived.g();
}

派生類Derived的虛函數(shù)表內(nèi)存布局如圖3-5所示：

接下來(lái)就用GDB調(diào)試一下，驗(yàn)證上圖的內(nèi)存布局是否正確，如圖3-6所示：

從調(diào)試結(jié)果可以看出圖3-5是正確的，并且可以得到以下幾點(diǎn)信息：

覆蓋的g()被放到了虛表中原來(lái)父類虛函數(shù)的位置沒(méi)有被覆蓋的虛函數(shù)位置排序依舊不變

有了前面的理論基礎(chǔ)，我們可以知道對(duì)于下面的代碼，由base所指的內(nèi)存中的虛函數(shù)表的Base::g()的位置已經(jīng)被Derived::g()所取代，于是在實(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí)，調(diào)用的是Derived::g()，從而實(shí)現(xiàn)了多態(tài)

int main(int argc, char* argv[])
{
    Base* base = new Derived();
    base->f();
    base->g();
    base->h();
}

輸出結(jié)果如圖3-7所示：

注意：在前面的例子中，我們分配內(nèi)存的實(shí)例對(duì)象的類型是Derived，但是卻用Base的指針去引用它，這個(gè)過(guò)程中數(shù)據(jù)并沒(méi)有發(fā)生任何的轉(zhuǎn)換，實(shí)例的真實(shí)類型依舊是Derived，但是由于我們使用時(shí)用的是Base類型，所以函數(shù)調(diào)用要依據(jù)Base類來(lái)，不能胡亂調(diào)用，比如說(shuō)我們此時(shí)是無(wú)法調(diào)用Derived的f1()和h2()的。由于這個(gè)是個(gè)單繼承，不存在虛函數(shù)表選擇問(wèn)題，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。

3.3、多重繼承的情況

多重繼承就不分開(kāi)講有覆蓋和無(wú)覆蓋的情況了，其實(shí)結(jié)合前面講的就差不多知道是什么個(gè)情況了，下面的例子中會(huì)設(shè)計(jì)成派生類既有自己的虛函數(shù)，又有用于覆蓋基類的虛函數(shù)，這樣就能兼顧有覆蓋和無(wú)覆蓋的情況了。

類的設(shè)計(jì)如下：

#include <iostream>
#include <string>

class Base1
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "Base1::f()" << std::endl;
    }

    virtual void g()
    {
        std::cout << "Base1::g()" << std::endl;
    }

    virtual void h()
    {
        std::cout << "Base1::h()" << std::endl;
    }
};

class Base2
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "Base2::f()" << std::endl;
    }

    virtual void g()
    {
        std::cout << "Base2::g()" << std::endl;
    }

    virtual void h()
    {
        std::cout << "Base2::h()" << std::endl;
    }
};

class Base3
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "Base3::f()" << std::endl;
    }

    virtual void g()
    {
        std::cout << "Base3::g()" << std::endl;
    }

    virtual void h()
    {
        std::cout << "Base3::h()" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base1, public Base2, public Base3
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "Derived::f()" << std::endl;
    }

    virtual void g1()
    {
        std::cout << "Derived::g1()" << std::endl;
    }

    virtual void h2()
    {
        std::cout << "Derived::h2()" << std::endl;
    }
};

繼承關(guān)系如圖3-8所示：

測(cè)試的代碼如下：

int main(int argc, char* argv[])
{
    Derived* d = new Derived();
    Base1* b1 = d;
    Base2* b2 = d;
    Base3* b3 = d;
    std::cout << (long*)(*(long*)b1) << std::endl;
    std::cout << (long*)(*(long*)b2) << std::endl;
    std::cout << (long*)(*(long*)b3) << std::endl;
}

輸出結(jié)果如圖3-9所示：

輸出信息非常有趣，明明b1、b2、b3指向的都是d，但是它們各自取出來(lái)的虛函數(shù)表的地址卻完全不同，按理來(lái)說(shuō)不是應(yīng)該相同嗎？別急，下面我們通過(guò)圖3-10來(lái)看一看多繼承下派生類虛函數(shù)表的內(nèi)存布局是什么樣的

從圖3-10中可以看出以下幾點(diǎn)信息：

• 在派生類中，每個(gè)基類都有一個(gè)屬于自己的虛函數(shù)表

• 派生類自己特有的虛函數(shù)被放到了第一個(gè)基類的表中（第一個(gè)基類是按照繼承順序來(lái)確定的）

這里我們就會(huì)得出一個(gè)新問(wèn)題了，對(duì)于上面例子中的b1，這個(gè)沒(méi)啥問(wèn)題，因?yàn)樗念愋虰ase1就是第一個(gè)被繼承的，所以我們當(dāng)然可以認(rèn)為這個(gè)不會(huì)出任何問(wèn)題，但是對(duì)于b2呢，它被繼承的位置可不是第一個(gè)啊，運(yùn)行時(shí)要怎么確定它的虛函數(shù)表呢？它有沒(méi)有可能一不小心找到Base1的虛函數(shù)去？恰好這個(gè)例子中幾個(gè)基類的虛函數(shù)名字和參數(shù)又都是完全相同的。這里其實(shí)就涉及到編譯器的處理了，當(dāng)我們執(zhí)行賦值操作Base2* b2 = d;時(shí)，編譯器會(huì)自動(dòng)把b2的虛函數(shù)表指針指向正確的位置，這個(gè)過(guò)程應(yīng)該是編譯器做的，所以虛函數(shù)所實(shí)現(xiàn)的多態(tài)應(yīng)該是“靜動(dòng)結(jié)合”的，有部分工作需要在編譯時(shí)期完成的。

下面我們依然借助GDB來(lái)看一下實(shí)際的內(nèi)存布局，詳見(jiàn)圖3-11，從調(diào)試信息中可以看出此時(shí)確實(shí)有三張?zhí)摵瘮?shù)表，對(duì)應(yīng)三個(gè)基類

第一張表的數(shù)據(jù)如圖3-12所示，可以看到和圖3-10描述的內(nèi)容是一致的，Derived自己特有的虛函數(shù)確實(shí)被加入到了第一張表中了，這里指示虛函數(shù)表結(jié)束的表示好像是那個(gè)0xfffffffffffffff8，不知道是不是固定的，有知道的小伙伴麻煩評(píng)論區(qū)告訴我一下謝謝

第二張表的數(shù)據(jù)如圖3-13所示，這里的結(jié)束符變成了0xfffffffffffffff0，搞不懂

第三張表的數(shù)據(jù)如圖3-14所示，這里的結(jié)束符終于是0x0了

補(bǔ)充說(shuō)明：如果繼承的某個(gè)類沒(méi)有虛函數(shù)的話，比如說(shuō)將上面的Base2修改為以下格式：

class Base2
{
public:
    void f()
    {
        std::cout << "Base2::f()" << std::endl;
    }

    void g()
    {
        std::cout << "Base2::g()" << std::endl;
    }

    void h()
    {
        std::cout << "Base2::h()" << std::endl;
    }
};

main函數(shù)不變，再運(yùn)行以下程序，輸出結(jié)果如圖3-15所示，說(shuō)明此時(shí)就沒(méi)有指向Base2虛函數(shù)表的指針了，因?yàn)樗緛?lái)就沒(méi)有虛函數(shù)表

3.4、多層繼承的情況

多層繼承的在有前面的基礎(chǔ)上來(lái)理解就非常簡(jiǎn)單了，測(cè)試程序如下：

#include <iostream>
#include <string>

class Base
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "Base::f()" << std::endl;
    }

    virtual void g()
    {
        std::cout << "Base::g()" << std::endl;
    }

    virtual void h()
    {
        std::cout << "Base::h()" << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "Derived::f()" << std::endl;
    }

    virtual void g1()
    {
        std::cout << "Derived::g1()" << std::endl;
    }
};

class DDerived : public Derived
{
public:
    virtual void f()
    {
        std::cout << "DDerived::f()" << std::endl;
    }

    virtual void h()
    {
        std::cout << "DDerived::h()" << std::endl;
    }

    virtual void g2()
    {
        std::cout << "DDerived::g2()" << std::endl;
    }
};

int main(int argc, char* argv[])
{
    DDerived dd;
    dd.f();
}

繼承關(guān)系如圖3-16所示：

派生類DDerived的虛函數(shù)表內(nèi)存布局如圖3-17所示：

多層繼承的情況這里就不使用GDB去看內(nèi)存布局了，比較簡(jiǎn)單，大家可以自行去測(cè)試一下。

4、總結(jié)

本文先對(duì)虛函數(shù)的概念進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，引出了虛函數(shù)表這個(gè)實(shí)現(xiàn)虛函數(shù)的關(guān)鍵要素，然后對(duì)不同繼承案例下虛函數(shù)表的內(nèi)存布局進(jìn)行說(shuō)明，并使用GDB進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證。相信看完這篇文章后聰明的你會(huì)對(duì)虛函數(shù)有更加深刻的理解了。

感謝各位的閱讀，以上就是“C++虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制是什么”的內(nèi)容了，經(jīng)過(guò)本文的學(xué)習(xí)后，相信大家對(duì)C++虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制是什么這一問(wèn)題有了更深刻的體會(huì)，具體使用情況還需要大家實(shí)踐驗(yàn)證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的文章，歡迎關(guān)注！