C++中如何解決虛函數(shù)表的問題

小編給大家分享一下C++中如何解決虛函數(shù)表的問題，相信大部分人都還不怎么了解，因此分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后大有收獲，下面讓我們一起去了解一下吧！

C++中多態(tài)分為兩種：靜態(tài)多態(tài)和動態(tài)多態(tài)。

靜態(tài)多態(tài)為編譯器在編譯期間就可以根據(jù)函數(shù)名和參數(shù)等信息確定調(diào)用某個函數(shù)。靜態(tài)多態(tài)主要體現(xiàn)為函數(shù)重載和運算符重載。

函數(shù)重載即類中定義多個同名成員函數(shù)，函數(shù)參數(shù)類型、參數(shù)個數(shù)和返回值不完全相同，編譯器編譯后這些同名函數(shù)的函數(shù)名會不一樣，也就是說編譯期間就確定了調(diào)用某個函數(shù)。C語言函數(shù)編譯后函數(shù)名就是原函數(shù)名，C++函數(shù)名為原函數(shù)名拼接函數(shù)參數(shù)等信息。

動態(tài)多態(tài)即運行時多態(tài)，在程序執(zhí)行期間(非編譯期)判斷所引用對象的實際類型，根據(jù)其實際類型調(diào)用相應(yīng)的方法。動態(tài)多態(tài)由虛函數(shù)來實現(xiàn)。
比如

class Base{};
class A: public Base{};
class A: public Base{};

Base *base = new A; // base靜態(tài)類型為Base*，動態(tài)類型為A*
base = new B; // base動態(tài)類型變?yōu)锽*了

探索虛函數(shù)表結(jié)構(gòu)

之前的文件提到過，一個類占用的空間，如果有虛函數(shù)就會占用8字節(jié)的空間來存放虛函數(shù)表的地址。
虛函數(shù)表內(nèi)存空間 中依次存放著各個虛函數(shù)的指針，通過這個指針可以調(diào)用相關(guān)的虛函數(shù)。

下面通過代碼來驗證一下上面這個內(nèi)存結(jié)構(gòu)，定義一個Base類，中間有3個方法，f1/f2/f3。

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

    virtual void f2(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }

    virtual void f3(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

實例化這個類后的內(nèi)存模型如下圖所示：

下面通過代碼來驗證這個內(nèi)存模型。

int main() {
    typedef void(*Fun)();  // Fun為f1 f2 f3的函數(shù)類型

    std::cout << sizeof(Base)<< std::endl;  // 輸出 8

    Base b;
    printf("b ptr = %p\n", &b);  // b ptr = 0x7ffeee41ac30

    long v_table_addr_value = *(long*)&b; // 取&b指針 前8字節(jié)的值，即虛函數(shù)表地址值
    printf("vtable ptr = 0x%lx\n", v_table_addr_value); // vtable ptr = 0x557dae962d48

    void *v_table_addr = (void*)v_table_addr_value;  // 把這8字節(jié)值轉(zhuǎn)為地址，即為虛函數(shù)表指針
    printf("vtable ptr = %p\n", v_table_addr); // vtable ptr = 0x557dae761cd4

    long f1_addr_value = *(long*)v_table_addr;  // 虛函數(shù)表前8字節(jié)為f1()函數(shù)指針值
    printf("f1() ptr = 0x%lx\n", f1_addr_value);  // f1() ptr = 0x557dae761cd4
    Fun f1 = (Fun)f1_addr_value;  // 虛函數(shù)表內(nèi)存第1個8字節(jié)值轉(zhuǎn)為函數(shù)指針
    f1();  // 輸出：virtual void Base::f1()

    long f2_addr_value = *(long*)((char*)v_table_addr + 8);  // 虛函數(shù)表8-16字節(jié)為f2()函數(shù)指針值
    printf("f2() ptr = 0x%lx\n", f2_addr_value);  // f2() ptr = 0x557dae761d0c
    Fun f2 = (Fun)f2_addr_value;  // 虛函數(shù)表內(nèi)存第2個8字節(jié)值轉(zhuǎn)為函數(shù)指針
    f2();  // 輸出：virtual void Base::f2()

    long f3_addr_value = *(long*)((char*)v_table_addr + 16);  // 虛函數(shù)表前16-24字節(jié)為f3()函數(shù)指針值
    printf("f3() ptr = 0x%lx\n", f3_addr_value);  // f3() ptr = 0x557dae761d44
    Fun f3 = (Fun)f3_addr_value;  // 虛函數(shù)表內(nèi)存第3個8字節(jié)值轉(zhuǎn)為函數(shù)指針
    f3();  // virtual void Base::f3()

    return 0;
}

通過上述代碼的輸出結(jié)果可以驗證上圖的內(nèi)存模型。

繼承基類重寫虛函數(shù)

現(xiàn)在定義一個繼承類Derived，重寫了f1()函數(shù)，也就是覆蓋掉了Base類中的函數(shù)f1()。同時又新增了虛擬函數(shù)f4()。

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

    virtual void f2(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }

    virtual void f3(){
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

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

    virtual void f4() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

通過上一節(jié)類似的代碼可以驗證new Derived()其內(nèi)存模型為

由此可以得出以下結(jié)論：

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。

3. 覆蓋的函數(shù)放到了虛函數(shù)表中原來父類虛函數(shù)的位置。

4. 沒有被覆蓋的虛函數(shù)函數(shù)位置不變。

繼承N個基類就有N個虛函數(shù)表，接下來使用代碼去驗證。

有3個基類Base1，Base2, Base3，都有兩個虛函數(shù)f1()、f2()。最后Derived 類繼承這3個基類。并重寫f1()函數(shù)，新增f4()函數(shù)。

class Base1 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }

    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

class Base2 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }

    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

class Base3 {
public:
    virtual void f1() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }

    virtual void f2() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

class Derived : public Base1, public Base2, public Base3 {
public:
    void f1() override {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }

    virtual void f4() {
        std::cout << __PRETTY_FUNCTION__ << std::endl;
    }
};

此時，sizeof(Derived) 等于24，可以基本確定類實例中有3個虛函數(shù)表指針。
下面通過代碼來檢查一下內(nèi)存數(shù)據(jù)。

int main() {
    typedef void(*Fun)();

    std::cout << sizeof(Derived) << std::endl; // 24

    Derived *d = new Derived();
    printf("b ptr = %p\n", d); // b ptr = 0x5624201d9280

    long v_table1_addr_value = *(long *) d;  // 第1個虛函數(shù)表地址值
    printf("vtable1 ptr = 0x%lx\n", v_table1_addr_value); // vtable1 ptr = 0x56241e42ac48

    long b1f1_addr_value = *(long *) v_table1_addr_value;
    printf("b1f1() ptr = 0x%lx\n", b1f1_addr_value); // b1f1() ptr = 0x56241e22a170
    Fun b1f1 = (Fun) b1f1_addr_value;
    b1f1(); // virtual void Derived::f1()

    long b1f2_addr_value = *((long *) v_table1_addr_value + 1);
    printf("b1f2() ptr = 0x%lx\n", b1f2_addr_value); // b1f2() ptr = 0x56241e22a058
    Fun b1f2 = (Fun) b1f2_addr_value;
    b1f2(); // virtual void Base1::f2()

    long b1f3_addr_value = *((long *) v_table1_addr_value + 2);
    printf("b1f3() ptr = 0x%lx\n", b1f3_addr_value); // b1f3() ptr = 0x56241e22a1b4
    Fun b1f3 = (Fun) b1f3_addr_value;
    b1f3(); // virtual void Derived::f3()

    long v_table2_addr_value = *((long *) d + 1); // 類實例內(nèi)存第2個8字節(jié)為 第2個虛函數(shù)表地址值
    printf("vtable2 ptr = 0x%lx\n", v_table2_addr_value); // vtable2 ptr = 0x56241e42ac70

    long b2f1_addr_value = *(long *) v_table2_addr_value;
    printf("b2f1() ptr = 0x%lx\n", b2f1_addr_value); // b2f1() ptr = 0x56241e22a1ad
    Fun b2f1 = (Fun) b2f1_addr_value;
    b2f1(); // virtual void Derived::f1()

    long b2f2_addr_value = *((long *) v_table2_addr_value + 1);
    printf("b2f2() ptr = 0x%lx\n", b2f2_addr_value); // b2f2() ptr = 0x56241e22a0c8
    Fun b2f2 = (Fun) b2f2_addr_value;
    b2f2(); // virtual void Base2::f2()

    long b2f3_addr_value = *((long *) v_table2_addr_value + 2);
    printf("b2f3() ptr = 0x%lx\n", b2f3_addr_value); // b2f3() ptr = 0xfffffffffffffff0


    long v_table3_addr_value = *((long *) d + 2); // 類實例內(nèi)存第3個8字節(jié)為 第3個虛函數(shù)表地址值
    printf("vtable3 ptr = 0x%lx\n", v_table3_addr_value); // vtable3 ptr = 0x56241e42ac90

    long b3f1_addr_value = *(long *) v_table3_addr_value;
    printf("b3f1() ptr = 0x%lx\n", b3f1_addr_value); // b3f1() ptr = 0x56241e22a1a7
    Fun b3f1 = (Fun) b3f1_addr_value;
    b3f1(); // virtual void Derived::f1()

    long b3f2_addr_value = *((long *) v_table3_addr_value + 1);
    printf("b3f2() ptr = 0x%lx\n", b3f2_addr_value); // b3f2() ptr = 0x56241e22a138
    Fun b3f2 = (Fun) b3f2_addr_value;
    b3f2(); // virtual void Base3::f2()

    return 0;
}

根據(jù)上述代碼輸出結(jié)果，可以畫出下面內(nèi)存模型。

由此可以得出以下結(jié)論：

1. 有幾個基類就有幾個虛函數(shù)表，且實例中虛函數(shù)表地址值存儲順序就是基類繼承順序。

2. 繼承類新增的虛函數(shù)f3()排在第一個虛函數(shù)表中，且在基類虛函數(shù)后面。

3. 繼承類中重寫基類的虛函數(shù)f1()，在每個虛函數(shù)表中都覆蓋相應(yīng)的虛函數(shù)。

尋找被覆蓋的虛函數(shù)

Derived 類重寫基類Base的f1()函數(shù)后，那如果想調(diào)用基類的被覆蓋的虛函數(shù)的話，就需要明確類名字調(diào)用。

  Derived *d = new Derived();
    d->f1();  // virtual void Derived::f1()
    d->Base::f1();  // virtual void Base::f1()

內(nèi)存空間中繼承類重寫的函數(shù)存在于虛函數(shù)表中原函數(shù)的位置，那么原虛函數(shù)的位置在哪呢？

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