C/C++杂记：虚函数的实现的基本原理

Posted 2020-07-23 Malecrab

1. 概述

简单地说，每一个含有虚函数（无论是其本身的，还是继承而来的）的类都至少有一个与之对应的虚函数表，其中存放着该类所有的虚函数对应的函数指针。例：

其中：

• B的虚函数表中存放着B::foo和B::bar两个函数指针。
• D的虚函数表中存放的既有继承自B的虚函数B::foo，又有重写（override）了基类虚函数B::bar的D::bar，还有新增的虚函数D::quz。

提示：为了描述方便，本文在探讨对象内存布局时，将忽略内存对齐对布局的影响。

2. 虚函数表构造过程

从编译器的角度来说，B的虚函数表很好构造，D的虚函数表构造过程相对复杂。下面给出了构造D的虚函数表的一种方式（仅供参考）：

提示：该过程是由编译器完成的，因此也可以说：虚函数替换过程发生在编译时。

3. 虚函数调用过程

以下面的程序为例：

编译器只知道pb是B*类型的指针，并不知道它指向的具体对象类型 ：pb可能指向的是B的对象，也可能指向的是D的对象。

但对于“pb->bar()”，编译时能够确定的是：此处operator->的另一个参数是B::bar（因为pb是B*类型的，编译器认为bar是B::bar），而B::bar和D::bar在各自虚函数表中的偏移位置是相等的。

无论pb指向哪种类型的对象，只要能够确定被调函数在虚函数中的偏移值，待运行时，能够确定具体类型，并能找到相应vptr了，就能找出真正应该调用的函数。

提示：本人曾在“C/C++杂记：深入理解数据成员指针、函数成员指针”一文中提到：虚函数指针中的ptr部分为虚函数表中的偏移值（以字节为单位）加1。

B::bar是一个虚函数指针， 它的ptr部分内容为9，它在B的虚函数表中的偏移值为8（8+1=9）。

当程序执行到“pb->bar()”时，已经能够判断pb指向的具体类型了：

• 如果pb指向B的对象，可以获取到B对象的vptr，加上偏移值8（(char*)vptr + 8），可以找到B::bar。
• 如果pb指向D的对象，可以获取到D对象的vptr，加上偏移值8（(char*)vptr + 8） ，可以找到D::bar。
• 如果pb指向其它类型对象...同理...

4. 多重继承

当一个类继承多个类，且多个基类都有虚函数时，子类对象中将包含多个虚函数表的指针（即多个vptr），例：

其中：D自身的虚函数与B基类共用了同一个虚函数表，因此也称B为D的主基类（primary base class）。

虚函数替换过程与前面描述类似，只是多了一个虚函数表，多了一次拷贝和替换的过程。

虚函数的调用过程，与前面描述基本类似，区别在于基类指针指向的位置可能不是派生类对象的起始位置，以如下面的程序为例：

5. 菱形继承

本文不讨论菱形继承的情形，个人觉得：菱形继承的复杂度远大于它的使用价值，这也是C++让人又爱又恨的原因之一。

如果想要深入研究，可以参考：Itanium C++ ABI。