C++ 類中有虛函數(shù)(虛函數(shù)表)時(shí) 內(nèi)存分布詳解
虛函數(shù)表
對C++ 了解的人都應(yīng)該知道虛函數(shù)(Virtual Function)是通過一張?zhí)摵瘮?shù)表(Virtual Table)來實(shí)現(xiàn)的。簡稱為V-Table。在這個(gè)表中,主是要一個(gè)類的虛函數(shù)的地址表,這張表解決了繼承、覆蓋的問題,保證其容真實(shí)反應(yīng)實(shí)際的函數(shù)。這樣,在有虛函數(shù)的類的實(shí)例中這個(gè)表被分配在了這個(gè)實(shí)例的內(nèi)存中,所以,當(dāng)我們用父類的指針來操作一個(gè)子類的時(shí)候,這張?zhí)摵瘮?shù)表就顯得由為重要了,它就像一個(gè)地圖一樣,指明了實(shí)際所應(yīng)該調(diào)用的函數(shù)。
這里我們著重看一下這張?zhí)摵瘮?shù)表。C++的編譯器應(yīng)該是保證虛函數(shù)表的指針存在于對象實(shí)例中最前面的位置(這是為了保證取到虛函數(shù)表的有最高的性能——如果有多層繼承或是多重繼承的情況下)。 這意味著我們通過對象實(shí)例的地址得到這張?zhí)摵瘮?shù)表,然后就可以遍歷其中函數(shù)指針,并調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。
聽我扯了那么多,我可以感覺出來你現(xiàn)在可能比以前更加暈頭轉(zhuǎn)向了。 沒關(guān)系,下面就是實(shí)際的例子,相信聰明的你一看就明白了。
假設(shè)我們有這樣的一個(gè)類:
class Base { public: virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; } virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; } virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; } };
按照上面的說法,我們可以通過Base的實(shí)例來得到虛函數(shù)表。 下面是實(shí)際例程:
typedef void(*Fun)(void); Base b; Fun pFun = NULL; cout << "虛函數(shù)表地址:" << (int*)(&b) << endl; cout << "虛函數(shù)表 — 第一個(gè)函數(shù)地址:" << (int*)*(int*)(&b) << endl; // Invoke the first virtual function pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b)); pFun();
實(shí)際運(yùn)行經(jīng)果如下:(Windows XP+VS2003, Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3)
虛函數(shù)表地址:0012FED4
虛函數(shù)表 — 第一個(gè)函數(shù)地址:0044F148
Base::f
通過這個(gè)示例,我們可以看到,我們可以通過強(qiáng)行把&b轉(zhuǎn)成int *,取得虛函數(shù)表的地址,然后,再次取址就可以得到第一個(gè)虛函數(shù)的地址了,也就是Base::f(),這在上面的程序中得到了驗(yàn)證(把int*強(qiáng)制轉(zhuǎn)成了函數(shù)指針)。通過這個(gè)示例,我們就可以知道如果要調(diào)用Base::g()和Base::h(),其代碼如下:
(Fun)*((int*)*(int*)(&b)+0); // Base::f() (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+1); // Base::g() (Fun)*((int*)*(int*)(&b)+2); // Base::h()
這個(gè)時(shí)候你應(yīng)該懂了吧?
(int*)(&b)是虛函數(shù)表指針的地址
(int*)*(int*)(&b)等于虛表指針的值,也就是虛函數(shù)表的地址(虛函數(shù)表應(yīng)該相當(dāng)于一個(gè)指針數(shù)組)
*((int*)*(int*)(&b))這個(gè)才是第一個(gè)虛函數(shù)的地址
注意:在上面這個(gè)圖中,我在虛函數(shù)表的最后多加了一個(gè)結(jié)點(diǎn),這是虛函數(shù)表的結(jié)束結(jié)點(diǎn),就像字符串的結(jié)束符“/0”一樣,其標(biāo)志了虛函數(shù)表的結(jié)束。這個(gè)結(jié)束標(biāo)志的值在不同的編譯器下是不同的。在WinXP+VS2003下,這個(gè)值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下,這個(gè)值是如果1,表示還有下一個(gè)虛函數(shù)表,如果值是0,表示是最后一個(gè)虛函數(shù)表。
下面,我將分別說明“無覆蓋”和“有覆蓋”時(shí)的虛函數(shù)表的樣子。沒有覆蓋父類的虛函數(shù)是毫無意義的。我之所以要講述沒有覆蓋的情況,主要目的是為了給一個(gè)對比。在比較之下,我們可以更加清楚地知道其內(nèi)部的具體實(shí)現(xiàn)。
一般繼承(無虛函數(shù)覆蓋)
下面,再讓我們來看看繼承時(shí)的虛函數(shù)表是什么樣的。假設(shè)有如下所示的一個(gè)繼承關(guān)系:
請注意,在這個(gè)繼承關(guān)系中,子類沒有重載任何父類的函數(shù)。那么,在派生類的實(shí)例中,其虛函數(shù)表如下所示:
對于實(shí)例:Derive d; 的虛函數(shù)表如下:
我們可以看到下面幾點(diǎn):
1)虛函數(shù)按照其聲明順序放于表中。
2)父類的虛函數(shù)在子類的虛函數(shù)前面。
我相信聰明的你一定可以參考前面的那個(gè)程序,來編寫一段程序來驗(yàn)證。
一般繼承(有虛函數(shù)覆蓋)
覆蓋父類的虛函數(shù)是很顯然的事情,不然,虛函數(shù)就變得毫無意義。下面,我們來看一下,如果子類中有虛函數(shù)重載了父類的虛函數(shù),會是一個(gè)什么樣子?假設(shè),我們有下面這樣的一個(gè)繼承關(guān)系。
為了讓大家看到被繼承過后的效果,在這個(gè)類的設(shè)計(jì)中,我只覆蓋了父類的一個(gè)函數(shù):f()。那么,對于派生類的實(shí)例,其虛函數(shù)表會是下面的一個(gè)樣子:
我們從表中可以看到下面幾點(diǎn),
1)覆蓋的f()函數(shù)被放到了虛表中原來父類虛函數(shù)的位置。
2)沒有被覆蓋的函數(shù)依舊。
這樣,我們就可以看到對于下面這樣的程序,
Base *b = new Derive();
b->f();
由b所指的內(nèi)存中的虛函數(shù)表的f()的位置已經(jīng)被Derive::f()函數(shù)地址所取代,于是在實(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí),是Derive::f()被調(diào)用了。這就實(shí)現(xiàn)了多態(tài)。
多重繼承(無虛函數(shù)覆蓋)
下面,再讓我們來看看多重繼承中的情況,假設(shè)有下面這樣一個(gè)類的繼承關(guān)系。注意:子類并沒有覆蓋父類的函數(shù)。
對于子類實(shí)例中的虛函數(shù)表,是下面這個(gè)樣子:
我們可以看到:
1) 每個(gè)父類都有自己的虛表。
2) 子類的成員函數(shù)被放到了第一個(gè)父類的表中。(所謂的第一個(gè)父類是按照聲明順序來判斷的)
這樣做就是為了解決不同的父類類型的指針指向同一個(gè)子類實(shí)例,而能夠調(diào)用到實(shí)際的函數(shù)。
多重繼承(有虛函數(shù)覆蓋)
下面我們再來看看,如果發(fā)生虛函數(shù)覆蓋的情況。
下圖中,我們在子類中覆蓋了父類的f()函數(shù)。
下面是對于子類實(shí)例中的虛函數(shù)表的圖:
我們可以看見,三個(gè)父類虛函數(shù)表中的f()的位置被替換成了子類的函數(shù)指針。這樣,我們就可以任一靜態(tài)類型的父類來指向子類,并調(diào)用子類的f()了。如:
Derive d; Base1 *b1 = &d; Base2 *b2 = &d; Base3 *b3 = &d; b1->f(); //Derive::f() b2->f(); //Derive::f() b3->f(); //Derive::f() b1->g(); //Base1::g() b2->g(); //Base2::g() b3->g(); //Base3::g()
安全性
每次寫C++的文章,總免不了要批判一下C++。這篇文章也不例外。通過上面的講述,相信我們對虛函數(shù)表有一個(gè)比較細(xì)致的了解了。水可載舟,亦可覆舟。下面,讓我們來看看我們可以用虛函數(shù)表來干點(diǎn)什么壞事吧。
一、通過父類型的指針訪問子類自己的虛函數(shù)
我們知道,子類沒有重載父類的虛函數(shù)是一件毫無意義的事情。因?yàn)槎鄳B(tài)也是要基于函數(shù)重載的。雖然在上面的圖中我們可以看到Base1的虛表中有Derive的虛函數(shù),但我們根本不可能使用下面的語句來調(diào)用子類的自有虛函數(shù):
Base1 *b1 = new Derive();
b1->f1(); //編譯出錯(cuò)
任何妄圖使用父類指針想調(diào)用子類中的未覆蓋父類的成員函數(shù)的行為都會被編譯器視為非法,所以,這樣的程序根本無法編譯通過。但在運(yùn)行時(shí),我們可以通過指針的方式訪問虛函數(shù)表來達(dá)到違反C++語義的行為。(關(guān)于這方面的嘗試,通過閱讀后面附錄的代碼,相信你可以做到這一點(diǎn))
二、訪問non-public的虛函數(shù)
另外,如果父類的虛函數(shù)是private或是protected的,但這些非public的虛函數(shù)同樣會存在于虛函數(shù)表中,所以,我們同樣可以使用訪問虛函數(shù)表的方式來訪問這些non-public的虛函數(shù),這是很容易做到的。
如:
class Base { private: virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; } }; class Derive : public Base{ }; typedef void(*Fun)(void); void main() { Derive d; Fun pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&d)+0); pFun(); }
附錄一:VC中查看虛函數(shù)表
我們可以在VC的IDE環(huán)境中的Debug狀態(tài)下展開類的實(shí)例就可以看到虛函數(shù)表了(并不是很完整的)
附錄 二:例程
下面是一個(gè)關(guān)于多重繼承的虛函數(shù)表訪問的例程:
#include <iostream> using namespace std; class Base1 { public: virtual void f() { cout << "Base1::f" << endl; } virtual void g() { cout << "Base1::g" << endl; } virtual void h() { cout << "Base1::h" << endl; } }; class Base2 { public: virtual void f() { cout << "Base2::f" << endl; } virtual void g() { cout << "Base2::g" << endl; } virtual void h() { cout << "Base2::h" << endl; } }; class Base3 { public: virtual void f() { cout << "Base3::f" << endl; } virtual void g() { cout << "Base3::g" << endl; } virtual void h() { cout << "Base3::h" << endl; } }; class Derive : public Base1, public Base2, public Base3 { public: virtual void f() { cout << "Derive::f" << endl; } virtual void g1() { cout << "Derive::g1" << endl; } }; typedef void(*Fun)(void); int main() { Fun pFun = NULL; Derive d; int** pVtab = (int**)&d; //Base1's vtable //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+0); pFun = (Fun)pVtab[0][0]; pFun(); //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+1); pFun = (Fun)pVtab[0][1]; pFun(); //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+2); pFun = (Fun)pVtab[0][2]; pFun(); //Derive's vtable //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+0)+3); pFun = (Fun)pVtab[0][3]; pFun(); //The tail of the vtable pFun = (Fun)pVtab[0][4]; cout<<pFun<<endl; //Base2's vtable //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0); pFun = (Fun)pVtab[1][0]; pFun(); //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1); pFun = (Fun)pVtab[1][1]; pFun(); pFun = (Fun)pVtab[1][2]; pFun(); //The tail of the vtable pFun = (Fun)pVtab[1][3]; cout<<pFun<<endl; //Base3's vtable //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+0); pFun = (Fun)pVtab[2][0]; pFun(); //pFun = (Fun)*((int*)*(int*)((int*)&d+1)+1); pFun = (Fun)pVtab[2][1]; pFun(); pFun = (Fun)pVtab[2][2]; pFun(); //The tail of the vtable pFun = (Fun)pVtab[2][3]; cout<<pFun<<endl; return 0; }
以上就是小編為大家?guī)淼腃++ 類中有虛函數(shù)(虛函數(shù)表)時(shí) 內(nèi)存分布詳解全部內(nèi)容了,希望大家多多支持腳本之家~
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