為了實(shí)現(xiàn)虛函數(shù)，C++ 使用了虛函數(shù)表來(lái)達(dá)到延遲綁定的目的。虛函數(shù)表在動(dòng)態(tài)/延遲綁定行為中用于查詢調(diào)用的函數(shù)。

盡管要描述清楚虛函數(shù)表的機(jī)制會(huì)多費(fèi)點(diǎn)口舌，但其實(shí)其本身還是比較簡(jiǎn)單的。

首先，每個(gè)包含虛函數(shù)的類（或者繼承自的類包含了虛函數(shù)）都有一個(gè)自己的虛函數(shù)表。這個(gè)表是一個(gè)在編譯時(shí)確定的靜態(tài)數(shù)組。虛函數(shù)表包含了指向每個(gè)虛函數(shù)的函數(shù)指針以供類對(duì)象調(diào)用。

其次，編譯器還在基類中定義了一個(gè)隱藏指針，我們稱為 *__vptr，*__vptr 是在類實(shí)例創(chuàng)建時(shí)自動(dòng)設(shè)置的，以指向類的虛函數(shù)表。*__vptr 是一個(gè)真正的指針，這和 *this 指針不同，*this 指針實(shí)際是一個(gè)函數(shù)參數(shù)，使編譯器來(lái)達(dá)到自引用的目的。

結(jié)果就是，每個(gè)類對(duì)象都會(huì)多分配一個(gè)指針的大小，并且 *__vptr 是被派生類繼承的。

如果你不清楚這些組件是怎么配合運(yùn)作的，看下面的例子：

class Base
{
public:
  virtual void function1() {};
  virtual void function2() {};
};
 
class D1: public Base
{
public:
  virtual void function1() {};
};
 
class D2: public Base
{
public:
  virtual void function2() {};
};

因?yàn)檫@里有 3 個(gè)類，編譯器會(huì)創(chuàng)建 3 個(gè)虛函數(shù)表。

然后編譯器會(huì)在使用了虛函數(shù)的最上層基類中定義一個(gè)隱藏指針。盡管這個(gè)過(guò)程編譯器會(huì)自動(dòng)處理，但我們還是通過(guò)下面的例子來(lái)說(shuō)明指針添加的位置：

class Base
{
public:
  FunctionPointer *__vptr;
  virtual void function1() {};
  virtual void function2() {};
};
 
class D1: public Base
{
public:
  virtual void function1() {};
};
 
class D2: public Base
{
public:
  virtual void function2() {};
};

*__vptr 在類對(duì)象創(chuàng)建的時(shí)候會(huì)設(shè)置成指向類的虛函數(shù)表。例如，類型 Base 被實(shí)例化的時(shí)候，*__vptr 就指向 Base 的虛函數(shù)表。類型 D1 或者 D2 被實(shí)例化的時(shí)候，*__vptr 就指向 D1 或者 D2 的虛函數(shù)表。

現(xiàn)在我們來(lái)看下虛函數(shù)表是怎么創(chuàng)建的。因?yàn)槭纠忻總€(gè)類僅有 2 個(gè)虛函數(shù)，所以每個(gè)虛函數(shù)表會(huì)存放兩個(gè)函數(shù)指針（分別指向 function1() 和 function2()）。

Base 對(duì)象的虛函數(shù)表最簡(jiǎn)單。Base 對(duì)象只能訪問(wèn) Base 類型的成員，不能訪問(wèn) D1 或者 D2 的函數(shù)。所以 Base 的虛函數(shù)表中的兩個(gè)指針?lè)謩e指向 Base::function1() 和 Base::function2()。

D1 的虛函數(shù)表稍復(fù)雜點(diǎn)，D1 對(duì)象能夠訪問(wèn) D1 以及 Base 的成員。D1 重寫(xiě)了 function1()，但沒(méi)有重寫(xiě) function2()，所以 D1 的虛函數(shù)表中的兩個(gè)指針?lè)謩e指向 D1::function1() 和 Base::function2()。

D2 的虛函數(shù)表同理 D1，包含了分別指向 Base::function1() 和 D2::function2() 的指針。

考慮如果創(chuàng)建 D1 對(duì)象時(shí)會(huì)發(fā)生什么：

int main()
{
  D1 d1;
}

因?yàn)?d1 是 D1 類型對(duì)象，d1 有它自己的 *__vptr 指向 D1 類型的虛函數(shù)表。

現(xiàn)在創(chuàng)建一個(gè) Base 類型指針 *dPtr 指向 d1：

int main()
{
  D1 d1;
  Base *dPtr = &d1;
 
  return 0;
}

重點(diǎn)：

因?yàn)?dPtr 是 Base 類型指針，它只指向 d1 對(duì)象的 Base 類型部分(即，指向 d1 對(duì)象中的 Base 子對(duì)象)，而 *__vptr 也在 Base 類型部分。所以 dPtr 可以訪問(wèn) Base 類型部分中的 *__vptr。同時(shí)，這里注意，dPtr->__vptr 指向的是 D1 的虛擬函數(shù)表，這是在 d1 初始化時(shí)就確定的。所以結(jié)果，盡管 dPtr 是 Base 類型指針，但它能夠訪問(wèn) D1 的虛函數(shù)表。

因此，當(dāng)有調(diào)用 dPtr->function1() 時(shí)，發(fā)生了什么？

int main()
{
  D1 d1;
  Base *dPtr = &d1;
  dPtr->function1();
 
  return 0;
}

首先，程序識(shí)別到 function1() 是一個(gè)虛函數(shù)。

其次，程序使用 dPtr->__vptr 獲取到了 D1 的虛函數(shù)表。

然后，它在 D1 的虛函數(shù)表中尋找可以調(diào)用的 function1() 版本，這里是 D1::function1()。

因此，dPtr->function1() 實(shí)際調(diào)用了 D1::function1()。

通過(guò)虛函數(shù)表，編譯器和程序能夠確定調(diào)用什么版本的虛函數(shù)，盡管使用的是指向/引用基類的指針或者引用。

調(diào)用虛函數(shù)會(huì)比調(diào)用非虛函數(shù)更慢，有以下幾個(gè)原因：

• 必須使用 *__vptr 獲取正確的虛函數(shù)。
• 必須建立虛函數(shù)表的索引來(lái)獲取想要調(diào)用的函數(shù)。
• 調(diào)用找到的函數(shù)。

結(jié)果就是必須進(jìn)行三次操作才能完成對(duì)函數(shù)的調(diào)用。但是對(duì)于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這些額外操作增加的時(shí)間幾乎可以忽略不計(jì)。

另外，每個(gè)使用虛函數(shù)表的類都有 *__vptr 指針，從而每個(gè)類對(duì)象都會(huì)多一個(gè)指針的空間。虛函數(shù)很強(qiáng)大，但是它確實(shí)產(chǎn)生了性能開(kāi)銷。

到此這篇關(guān)于C++ 中的虛函數(shù)表及虛函數(shù)執(zhí)行原理詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ 虛函數(shù)表內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

最新評(píng)論