通过一个实例来分析C++中虚函数的调用原理

虚函数是C++中一个重要的概念，搞清楚这个概念对于理解C++运行的内在机制有一定的帮助。下面通过一个例子来总结一下C++中虚函数的调用原理。

示例代码：

#include <iostream>
#include <cstdlib>

using namespace std;

class A
{
  public:
         void set(int i,int j)
         {
              x=i;
              y=j;     
         }    
         
         virtual int get()
         {
             return x+y;        
         }
  private:
          int x;
          int y;
};


class B:public A
{
  public:
         void set(int i,int j)
         {
              x=i;
              y=j;    
         }    
         
         int get()
         {
             return x+y;    
         }
  private:
          int x;
          int y;
};

int main(int argc,char *args[])
{
    B b;
    b.set(4,6);
    B &rb=b;
    cout<<rb.get()<<endl;
    A a;
    a.set(7,8);
    cout<<a.get()<<endl;
    
    A &ra=b;
    cout<<ra.get()<<endl;
    system("pause");
    return EXIT_SUCCESS;    
}

对于上述代码，下面是通过基类的引用来调用虚函数时（ra.get()）所经历的几个阶段：
1. 开始调用ra.get()，在运行中引用ra可以判断到底指向了哪个对象（基类or派生类）
2. 取得对象的vtable的指针
3. 从vtable那里获得函数入口的偏移量，即得到要调用的函数的指针
4. 根据vtable的地址找到函数，并调用函数

一个函数说明为虚函数，表明在继承的类中重载这个函数时，到调用这个函数时应该确定调用哪个对象的这个函数。这也就是所谓多态的机制，多态使得我们可以通过基类的引用或指针来指明一个对象（包括其派生类的对象），当调用函数时可以自动判断调用的是哪个对象的函数。

C++编译器对普通函数和虚函数有着两种非常不同的处理方式。

对于普通函数处理而言，特定的函数都会映射到特定的代码，无论是编译阶段还是链接阶段， 编译器都可以计算出要处理函数的地址，直接调用即可。

而对于虚函数而言，被调用的函数不仅仅需要依据调用的特定函数，还需要依据调用对象的种类进行判断。通常情况下都是通过一个叫虚函数表（vtable）来实现的。

虚函数表的结构
虚函数表是一个函数指针表，每个表项都指向一个函数。任何一个包含至少一个虚函数的类都会有这样一张表。需要注意的是vtable只包含虚函数的指针，没有函数体。实际上就是一个函数指针的数组。虚函数表既有继承性又有多态性。每个派生类的vtable继承了它各个基类的vtable，如果基类vtable中包含某一项，则它的派生类的vtable中也将包含同样的一项，但是这两项的值可能是不同的。如果派生类重载（override）了该项对应的虚函数，则派生类vtable的该项指向重载后的虚函数。若没有重载的话，则直接沿用基类的值。

特别注意的是，每一个类中仅有唯一的一个vtable，不是每个对象都有一个vtable。但是每个对象都有一个指向所属类的vtable的指针（此类包含虚函数的前提下）。每个对象额外增加了一个指针的大小，通常是4个字节。
此外，还需要注意的是基类和派生类使用的vtable是物理上独立的，即它们具有不同的地址。它们唯一的联系就是，当派生类没有实现基类虚函数的重载时，派生类会将自己vtable中对应函数的地址设定为基类函数的地址。







Reference
1. 《从新手到高手C++全方位学习》 PP.245 系统是如何调用虚函数的
2. http://www.cppblog.com/ElliottZC/archive/2007/07/20/28416.aspx