C++ 類中有虛函數(shù)(虛函數(shù)表)時 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）來實現(xiàn)的。簡稱為V-Table。在這個表中，主是要一個類的虛函數(shù)的地址表，這張表解決了繼承、覆蓋的問題，保證其容真實反應(yīng)實際的函數(shù)。這樣，在有虛函數(shù)的類的實例中這個表被分配在了這個實例的內(nèi)存中，所以，當(dāng)我們用父類的指針來操作一個子類的時候，這張?zhí)摵瘮?shù)表就顯得由為重要了，它就像一個地圖一樣，指明了實際所應(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的實例來得到虛函數(shù)表。 下面是實際例程：
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 — 第一個函數(shù)地址：" << (int*)*(int*)(&b) << endl;
// Invoke the first virtual function
pFun = (Fun)*((int*)*(int*)(&b));
pFun();
實際運行經(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 — 第一個函數(shù)地址：0044F148
Base::f
通過這個示例，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證（把int*強(qiáng)制轉(zhuǎn)成了函數(shù)指針）。通過這個示例，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()
這個時候你應(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)于一個指針數(shù)組）
*((int*)*(int*)(&b))這個才是第一個虛函數(shù)的地址
注意：在上面這個圖中，我在虛函數(shù)表的最后多加了一個結(jié)點，這是虛函數(shù)表的結(jié)束結(jié)點，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，這個值是NULL。而在Ubuntu 7.10 + Linux 2.6.22 + GCC 4.1.3下，這個值是如果1，表示還有下一個虛函數(shù)表，如果值是0，表示是最后一個虛函數(shù)表。
下面，我將分別說明“無覆蓋”和“有覆蓋”時的虛函數(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的虛函數(shù)表是什么樣的。假設(shè)有如下所示的一個繼承關(guān)系：
請注意，在這個繼承關(guān)系中，子類沒有重載任何父類的函數(shù)。那么，在派生類的實例中，其虛函數(shù)表如下所示：
對于實例：Derive d; 的虛函數(shù)表如下：
我們可以看到下面幾點：
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程序，來編寫一段程序來驗證。
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)，會是一個什么樣子？假設(shè)，我們有下面這樣的一個繼承關(guān)系。
為了讓大家看到被繼承過后的效果，在這個類的設(shè)計中，我只覆蓋了父類的一個函數(shù)：f()。那么，對于派生類的實例，其虛函數(shù)表會是下面的一個樣子：
我們從表中可以看到下面幾點，
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，于是在實際調(diào)用發(fā)生時，是Derive::f()被調(diào)用了。這就實現(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)。
對于子類實例中的虛函數(shù)表，是下面這個樣子：
我們可以看到：
1） 每個父類都有自己的虛表。
2） 子類的成員函數(shù)被放到了第一個父類的表中。（所謂的第一個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子類實例，而能夠調(diào)用到實際的函數(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)。
下面是對于子類實例中的虛函數(shù)表的圖：
我們可以看見，三個父類虛函數(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。因為多態(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
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。但在運行時，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）
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 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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