虚函数、虚指针和虚表

关于虚函数的背景知识

1. 用virtual关键字申明的函数叫做虚函数，虚函数肯定是类的成员函数。
2. 存在虚函数的类都有一个一维的虚函数表叫做虚表。类的对象有一个指向虚表开始的虚指针。虚表是和类对应的，虚表指针是和对象对应的。
3. 多态性是一个接口多种实现，是面向对象的核心。分为类的多态性和函数的多态性。
4. 多态用虚函数来实现，结合动态绑定。
5. 纯虚函数是虚函数再加上= 0。并且该函数只有声明，没有实现。
6. 抽象类是指包括至少一个纯虚函数的类。

 

那虚函数是如何运行的呢？

 

class Base 
{
    public:
        virtual void func() {}
}

class Derive : public Base
{
    public:
        void func() {}
}

void main()
{
    Derive d;
    Base *pb = &d;
    b->func();
}

 

    编译器在编译的时候，发现Base类中有虚函数，此时编译器会为每个包含虚函数的类创建一个虚表（即vtable），该表是一个一维数组，在这个数组中存放每个虚函数的地址。由于Base类和Derive类都包含了一个虚函数func()，编译器会为这两个类都建立一个虚表，（即使子类里面没有virtual函数，但是其父类里面有，所以子类中也有了）

 

    那么如何定位虚表呢？编译器另外还为每个类的对象提供了一个虚表指针（即vptr），这个指针指向了对象所属类的虚表。在程序运行时，根据对象的类型去初始化vptr，从而让vptr正确的指向所属类的虚表。所以在调用虚函数时，就能够找到正确的函数。

 

    对于上述程序，由于pb实际指向的对象类型是Derive，因此vptr指向的Derive类的vtable，当调用pb->func()时，根据虚表中的函数地址找到的就是Derive类的func()函数。

 

    正是由于每个对象调用的虚函数都是通过虚表指针来索引的，也就决定了虚表指针的正确初始化是非常重要的。换句话说，在虚表指针没有正确初始化之前，我们不能够去调用虚函数。那么虚表指针在什么时候，或者说在什么地方初始化呢？

答案是在构造函数中进行虚表的创建和虚表指针的初始化。

 

    还记得构造函数的调用顺序吗，在构造子类对象时，要先调用父类的构造函数，此时编译器只“看到了”父类，并不知道后面是否后还有继承者，它初始化父类对象的虚表指针，该虚表指针指向父类的虚表。当执行子类的构造函数时，子类对象的虚表指针被初始化，指向自身的虚表。对于以上的例子，当Derive类的d对象构造完毕后，其内部的虚表指针也就被初始化为指向Derive类的虚表。在类型转换后，调用pb->func()，由于pb实际指向的是Derive类的对象，该对象内部的虚表指针指向的是Derive类的虚表，因此最终调用的是Derive类的func()函数。

 

    要注意：对于虚函数调用来说，每一个对象内部都有一个虚表指针，该虚表指针被初始化为本类的虚表。所以在程序中，不管你的对象类型如何转换，但该对象内部的虚表指针是固定的，所以呢，才能实现动态的对象函数调用，这就是C++多态性实现的原理。

 

 

总结（基类有虚函数）：

1. 每一个类都有虚表。
2. 虚表可以继承，如果子类没有重写虚函数，那么子类虚表中仍然会有该函数的地址，只不过这个地址指向的是基类的虚函数实现。如果基类有3个虚函数，那么基类的虚表中就有三项（虚函数地址），派生类也会有虚表，至少有三项，如果重写了相应的虚函数，那么虚表中的地址就会改变，指向自身的虚函数实现。如果派生类有自己的虚函数，那么虚表中就会添加该项。
3. 派生类的虚表中虚函数地址的排列顺序和基类的虚表中虚函数地址排列顺序相同。 

评论

1 楼 yuandong0828 2013-06-02  

简洁的特别透彻细致，多谢，