C++ 虛函數(shù)表剖析

一、概述

為了實現(xiàn)C++的多態(tài)，C++使用了一種動態(tài)綁定的技術。這個技術的核心是虛函數(shù)表（下文簡稱虛表）。本文介紹虛函數(shù)表是如何實現(xiàn)動態(tài)綁定的。

二、類的虛表

每個包含了虛函數(shù)的類都包含一個虛表。

我們知道，當一個類（A）繼承另一個類（B）時，類A會繼承類B的函數(shù)的調用權。所以如果一個基類包含了虛函數(shù)，那么其繼承類也可調用這些虛函數(shù)，換句話說，一個類繼承了包含虛函數(shù)的基類，那么這個類也擁有自己的虛表。

我們來看以下的代碼。類A包含虛函數(shù)vfunc1，vfunc2，由于類A包含虛函數(shù)，故類A擁有一個虛表。

class A {
public:  
    virtual void vfunc1();  
    virtual void vfunc2(); 
    void func1();  
    void func2();
private:  
    int m_data1, m_data2;  
};

類A的虛表如圖1所示。

虛表是一個指針數(shù)組，其元素是虛函數(shù)的指針，每個元素對應一個虛函數(shù)的函數(shù)指針。需要指出的是，普通的函數(shù)即非虛函數(shù)，其調用并不需要經(jīng)過虛表，所以虛表的元素并不包括普通函數(shù)的函數(shù)指針。

虛表內的條目，即虛函數(shù)指針的賦值發(fā)生在編譯器的編譯階段，也就是說在代碼的編譯階段，虛表就可以構造出來了。

三、虛表指針

虛表是屬于類的，而不是屬于某個具體的對象，一個類只需要一個虛表即可。同一個類的所有對象都使用同一個虛表。

為了指定對象的虛表，對象內部包含一個虛表的指針，來指向自己所使用的虛表。為了讓每個包含虛表的類的對象都擁有一個虛表指針，編譯器在類中添加了一個指針，*__vptr，用來指向虛表。這樣，當類的對象在創(chuàng)建時便擁有了這個指針，且這個指針的值會自動被設置為指向類的虛表。

上面指出，一個繼承類的基類如果包含虛函數(shù)，那個這個繼承類也有擁有自己的虛表，故這個繼承類的對象也包含一個虛表指針，用來指向它的虛表。

四、動態(tài)綁定

說到這里，大家一定會好奇C++是如何利用虛表和虛表指針來實現(xiàn)動態(tài)綁定的。我們先看下面的代碼。

class A {
public:   
    virtual void vfunc1();  
    virtual void vfunc2();  
    void func1();   
    void func2();
private:  
    int m_data1, m_data2;  
};
class B : public A {
public: 
    virtual void vfunc1();   
    void func1();
private:  
    int m_data3;  
};
class C: public B {
public:  
    virtual void vfunc2();  
    void func2();
private:  
    int m_data1, m_data4;  
};

類A是基類，類B繼承類A，類C又繼承類B。類A，類B，類C，其對象模型如下圖3所示。

由于這三個類都有虛函數(shù)，故編譯器為每個類都創(chuàng)建了一個虛表，即類A的虛表（A vtbl），類B的虛表（B vtbl），類C的虛表（C vtbl）。類A，類B，類C的對象都擁有一個虛表指針，*__vptr，用來指向自己所屬類的虛表。

類A包括兩個虛函數(shù)，故A vtbl包含兩個指針，分別指向A::vfunc1()和A::vfunc2()。

類B繼承于類A，故類B可以調用類A的函數(shù)，但由于類B重寫了B::vfunc1()函數(shù)，故B vtbl的兩個指針分別指向B::vfunc1()和A::vfunc2()。

類C繼承于類B，故類C可以調用類B的函數(shù)，但由于類C重寫了C::vfunc2()函數(shù)，故C vtbl的兩個指針分別指向B::vfunc1()（指向繼承的最近的一個類的函數(shù)）和C::vfunc2()。

雖然圖3看起來有點復雜，但是只要抓住“對象的虛表指針用來指向自己所屬類的虛表，虛表中的指針會指向其繼承的最近的一個類的虛函數(shù)”這個特點，便可以快速將這幾個類的對象模型在自己的腦海中描繪出來。

非虛函數(shù)的調用不用經(jīng)過虛表，故不需要虛表中的指針指向這些函數(shù)。

假設我們定義一個類B的對象bObject。由于bObject是類B的一個對象，故bObject包含一個虛表指針，指向類B的虛表。

int main() {  
    B bObject;  
}

現(xiàn)在，我們聲明一個類A的指針p來指向對象bObject。雖然p是基類的指針只能指向基類的部分，但是虛表指針亦屬于基類部分，所以p可以訪問到對象bObject的虛表指針。bObject的虛表指針指向類B的虛表，所以p可以訪問到B vtbl。如圖3所示。

int main()   
{   
    B bObject;   
    A *p = & bObject;  
}

當我們使用p來調用vfunc1()函數(shù)時，會發(fā)生什么現(xiàn)象？

int main()
{  
    B bObject;  
    A *p = & bObject;  
    p->vfunc1();  
}

程序在執(zhí)行p->vfunc1()時，會發(fā)現(xiàn)p是個指針，且調用的函數(shù)是虛函數(shù)，接下來便會進行以下的步驟。

首先，根據(jù)虛表指針p->__vptr來訪問對象bObject對應的虛表。雖然指針p是基類A*類型，但是*__vptr也是基類的一部分，所以可以通過p->__vptr可以訪問到對象對應的虛表。

然后，在虛表中查找所調用的函數(shù)對應的條目。由于虛表在編譯階段就可以構造出來了，所以可以根據(jù)所調用的函數(shù)定位到虛表中的對應條目。對于p->vfunc1()的調用，B vtbl的第一項即是vfunc1對應的條目。

最后，根據(jù)虛表中找到的函數(shù)指針，調用函數(shù)。從圖3可以看到，B vtbl的第一項指向B::vfunc1()，所以p->vfunc1()實質會調用B::vfunc1()函數(shù)。

如果p指向類A的對象，情況又是怎么樣？

int main() 
{  
    A aObject;  
    A *p = &aObject;  
    p->vfunc1();  
}

當aObject在創(chuàng)建時，它的虛表指針__vptr已設置為指向A vtbl，這樣p->__vptr就指向A vtbl。vfunc1在A vtbl對應在條目指向了A::vfunc1()函數(shù)，所以p->vfunc1()實質會調用A::vfunc1()函數(shù)。

可以把以上三個調用函數(shù)的步驟用以下表達式來表示：

(*(p->__vptr)[n])(p)

可以看到，通過使用這些虛函數(shù)表，即使使用的是基類的指針來調用函數(shù)，也可以達到正確調用運行中實際對象的虛函數(shù)。

我們把經(jīng)過虛表調用虛函數(shù)的過程稱為動態(tài)綁定，其表現(xiàn)出來的現(xiàn)象稱為運行時多態(tài)。動態(tài)綁定區(qū)別于傳統(tǒng)的函數(shù)調用，傳統(tǒng)的函數(shù)調用我們稱之為靜態(tài)綁定，即函數(shù)的調用在編譯階段就可以確定下來了。

那么，什么時候會執(zhí)行函數(shù)的動態(tài)綁定？這需要符合以下三個條件。

• 通過指針來調用函數(shù)

• 指針upcast向上轉型（繼承類向基類的轉換稱為upcast，關于什么是upcast，可以參考本文的參考資料）

• 調用的是虛函數(shù)

如果一個函數(shù)調用符合以上三個條件，編譯器就會把該函數(shù)調用編譯成動態(tài)綁定，其函數(shù)的調用過程走的是上述通過虛表的機制。

五、總結

封裝，繼承，多態(tài)是面向對象設計的三個特征，而多態(tài)可以說是面向對象設計的關鍵。C++通過虛函數(shù)表，實現(xiàn)了虛函數(shù)與對象的動態(tài)綁定，從而構建了C++面向對象程序設計的基石。

參考資料

• 《C++ Primer》第三版，中文版，潘愛民等譯

• http://www.learncpp.com/cpp-tutorial/125-the-virtual-table/

• 侯捷《C++最佳編程實踐》視頻，極客班，2015

• Upcasting and Downcasting, http://www.bogotobogo.com/cplusplus/upcasting_downcasting.php