為了實現(xiàn)虛函數(shù)，C++ 使用了虛函數(shù)表來達到延遲綁定的目的。虛函數(shù)表在動態(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)表的機制會多費點口舌，但其實其本身還是比較簡單的。

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

其次，編譯器還在基類中定義了一個隱藏指針，我們稱為 *__vptr，*__vptr 是在類實例創(chuàng)建時自動設(shè)置的，以指向類的虛函數(shù)表。*__vptr 是一個真正的指針，這和 *this 指針不同，*this 指針實際是一個函數(shù)參數(shù)，使編譯器來達到自引用的目的。

結(jié)果就是，每個類對象都會多分配一個指針的大小，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() {};
};

因為這里有 3 個類，編譯器會創(chuàng)建 3 個虛函數(shù)表。

然后編譯器會在使用了虛函數(shù)的最上層基類中定義一個隱藏指針。盡管這個過程編譯器會自動處理，但我們還是通過下面的例子來說明指針添加的位置：

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 在類對象創(chuàng)建的時候會設(shè)置成指向類的虛函數(shù)表。例如，類型 Base 被實例化的時候，*__vptr 就指向 Base 的虛函數(shù)表。類型 D1 或者 D2 被實例化的時候，*__vptr 就指向 D1 或者 D2 的虛函數(shù)表。

現(xiàn)在我們來看下虛函數(shù)表是怎么創(chuàng)建的。因為示例中每個類僅有 2 個虛函數(shù)，所以每個虛函數(shù)表會存放兩個函數(shù)指針（分別指向 function1() 和 function2()）。

Base 對象的虛函數(shù)表最簡單。Base 對象只能訪問 Base 類型的成員，不能訪問 D1 或者 D2 的函數(shù)。所以 Base 的虛函數(shù)表中的兩個指針分別指向 Base::function1() 和 Base::function2()。

D1 的虛函數(shù)表稍復(fù)雜點，D1 對象能夠訪問 D1 以及 Base 的成員。D1 重寫了 function1()，但沒有重寫 function2()，所以 D1 的虛函數(shù)表中的兩個指針分別指向 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 對象時會發(fā)生什么：

int main()
{
  D1 d1;
}

因為 d1 是 D1 類型對象，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 Base 類型指針 *dPtr 指向 d1：

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

重點：

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

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

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

首先，程序識別到 function1() 是一個虛函數(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() 實際調(diào)用了 D1::function1()。

通過虛函數(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)會比調(diào)用非虛函數(shù)更慢，有以下幾個原因：

• 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)果就是必須進行三次操作才能完成對函數(shù)的調(diào)用。但是對于現(xiàn)代計算機系統(tǒng)，這些額外操作增加的時間幾乎可以忽略不計。

另外，每個使用虛函數(shù)表的類都有 *__vptr 指針，從而每個類對象都會多一個指針的空間。虛函數(shù)很強大，但是它確實產(chǎn)生了性能開銷。

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！

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