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c++中虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)詳解

更新時(shí)間：2016年12月22日 16:59:43 投稿：daisy

眾所周知探索c++對象內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)是一件非常有趣的事情，虛函數(shù)在c++中的實(shí)現(xiàn)機(jī)制就是用虛表和虛指針，但是具體是怎樣的呢？下面這篇文章就來給大家實(shí)際檢驗(yàn)一下 Visual Studio 2013 編譯器在無優(yōu)化條件下，虛函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。有需要的朋友們可以參考借鑒，下面來一起看看吧。

前言

c++ 分為編譯時(shí)多態(tài)和運(yùn)行時(shí)多態(tài)。運(yùn)行時(shí)多態(tài)依賴于虛函數(shù)，大部分人或許聽說過虛函數(shù)是由虛函數(shù)表+虛函數(shù)指針實(shí)現(xiàn)的，但，真的是這樣嗎？雖然 c++ 規(guī)范有著復(fù)雜的語言細(xì)節(jié)，但底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制卻任由編譯器廠商想象。（沒準(zhǔn)某種特殊的處理器電路結(jié)構(gòu)原生支持虛函數(shù)，沒準(zhǔn)這個(gè)處理器壓根不是馮紐曼型，或者將來廠商發(fā)明了比虛函數(shù)表更有效率的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。）

虛函數(shù)表

封裝把實(shí)例的數(shù)據(jù)和操作結(jié)合在了一起，但實(shí)例本身只有數(shù)據(jù)，沒有函數(shù)，同一個(gè)類的函數(shù)是共享的。我們通過一個(gè)例子來間接證明這一點(diǎn)

class Base1
{
public:
 int a;
 void func() { cout << "heel" << endl; }
};

Base1 b1;
cout << sizeof(b1) << endl;

打印

如果類中有虛函數(shù)，則會(huì)在對象中加入一個(gè)虛函數(shù)指針，該指針指向一個(gè)虛函數(shù)表，表中是各個(gè)虛函數(shù)的地址。

+--------+    +---------+
| pvtbl |------>| vfunc1 |
+--------+    +---------+
| data1 |    | vfunc2 |
+--------+    +---------+
| ...  |    | ...   |

當(dāng)子類繼承父類時(shí)，會(huì)依次覆蓋虛函數(shù)表中的各個(gè)項(xiàng)，如果子類沒有重寫某項(xiàng)，那該項(xiàng)就保留。當(dāng)實(shí)例化對象后，虛函數(shù)指針就作為一個(gè)隱藏?cái)?shù)據(jù)存在于實(shí)例中。如果通過父類指針調(diào)用普通成員函數(shù)，由于普通函數(shù)和類型綁定在一起，所以仍會(huì)調(diào)用父類成員函數(shù)；如果通過父類指針調(diào)用虛函數(shù)，則會(huì)通過對象的虛指針找到虛函數(shù)表（即子類的虛函數(shù)表），定位虛函數(shù)項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)多態(tài)。

原理是不是很簡單？c++ 就是通過這種看似原始的方式實(shí)現(xiàn)高級抽象。以上是編譯器的通用做法，我手上的 Visual Studio 2013 編譯器就是這么做的，為了提高性能，VS 保證虛函數(shù)指針存在于對象實(shí)例中最前面位置（歷史上也有編譯器不這么做，好像是 Borland 的？）。

Visual Studio 2013 中的實(shí)現(xiàn)

來一個(gè)例子（能這么寫是因?yàn)槲乙阎?Visual Studio 2013 編譯后對象的內(nèi)存布局）

#include <iostream>
using namespace std;

class Base 
{
public:
 typedef void (*func)();
 virtual void func1() { cout << "Base::func1" << endl; }
 virtual void func2() { cout << "Base::func2" << endl; }
 virtual void func3() { cout << "Base::func3" << endl; }
};

class Derived: public Base
{
public:
 virtual void func1() { cout << "Derived::func1" << endl; }
 virtual void func3() { cout << "Derived::func3" << endl; }
};

int main()
{
 Base b, b1;
 int** pvirtualtable1 = (int**)&b;
 cout << "Base object vtbl address: " << pvirtualtable1[0] << endl;
 int** pvirtualtable11 = (int**)&b1;
 cout << "another Base object vtbl address: " << pvirtualtable11[0] << endl;
 cout << "function in virtual table" << endl;
 for (int i = 0; (Base::func)pvirtualtable1[0][i] != NULL; ++i)
 {
 auto p = (Base::func)pvirtualtable1[0][i];
 p();
 }
 cout << endl;

 Derived d;
 int** pvirtualtable2 = (int**)&d;
 cout << "Derived object vtbl address: " << pvirtualtable2[0] << endl;
 cout << "function in virtual table" << endl;
 for (int i = 0; (Base::func)pvirtualtable2[0][i] != NULL; ++i)
 {
 auto p = (Base::func)pvirtualtable2[0][i];
 p();
 }
 cout << endl;
}

打印

Base object pvtbl address: 0029DA58
another Base object pvtbl address: 0029DA58
function address in virtual table
Base::func1
Base::func2
Base::func3

Derived object pvtbl address: 0029DB20
function address in virtual table
Derived::func1
Base::func2
Derived::func3

可以看到，同一類型不同實(shí)例的虛函數(shù)表是相同的，繼承之后，子類有了自己的虛函數(shù)表，表也有相應(yīng)的更新(Derived::func1, Derived::func3)，表中未重寫的項(xiàng)還保留為原值(Base::func2)。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作能帶來一定的幫助，如果有疑問大家可以留言交流。

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