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C++ 虛函數(shù)表圖文解析

 更新時間:2021年05月13日 09:22:09   作者:flight1111  
最近學(xué)了設(shè)計模式中的簡單工廠模式,對多態(tài)有了具體的認(rèn)識。于是補(bǔ)了補(bǔ)多態(tài)、虛函數(shù)、虛函數(shù)表相關(guān)的知識,本文介紹了C++ 虛函數(shù)表,感興趣的了解一下

一、前言

一直以來,對虛函數(shù)的理解僅僅是,在父類中定義虛函數(shù),子類中可以重寫該虛函數(shù),并且父類指針可以指向子類對象,調(diào)用子類的虛函數(shù)(多態(tài))。在讀研階段經(jīng)歷的幾個項(xiàng)目中,自己所寫的類中并沒有用到虛函數(shù),對虛函數(shù)這個東西的強(qiáng)大之處并沒有太多體會。最近,學(xué)了設(shè)計模式中的簡單工廠模式,對多態(tài)有了具體的認(rèn)識。于是,補(bǔ)了補(bǔ)多態(tài)、虛函數(shù)、虛函數(shù)表相關(guān)的知識,參考相關(guān)博客,加上自己的理解,整理了這篇博文。

二、含有虛函數(shù)類的內(nèi)存模型

以下面的類為例(32位平臺下):

class Father {
public:
	virtual void fun1() { cout << "Father::fun1()" << endl; }
	virtual void fun2() { cout << "Father::fun2()" << endl; }
	int i;
};

該類中含有兩個虛函數(shù)和一個成員變量i,輸出sizeof(Father),結(jié)果為8個字節(jié)。如果去掉virtual關(guān)鍵字,則結(jié)果為4個字節(jié)。也就是說,類中含有虛函數(shù),則該類會增加4個字節(jié),那這4個字節(jié)是什么變量所占據(jù)的呢?

答案是一個指針(我覺得應(yīng)該是unsigned int*類型指針,這點(diǎn)不確定),在vs調(diào)試窗口中,可以看到該指針名為_vfptr,該指針稱為虛函數(shù)表指針。

類的內(nèi)存模型如下,_vptr指針和成員變量i各占4字節(jié),一共8字節(jié)。另外 ,-vptr指針一定在內(nèi)存模型前面。對于只有一個虛表指針的類來說,類內(nèi)存模型前4個字節(jié)就是虛表指針?biāo)伎臻g。

在這里插入圖片描述

三、虛函數(shù)表與虛函數(shù)表指針

上面提到_vfptr是虛函數(shù)表指針,那虛函數(shù)表是什么呢?

虛函數(shù)表其實(shí)就是一個指針數(shù)組,這個數(shù)組中存放著虛函數(shù)的地址,大概如下:

在這里插入圖片描述

最后一個類似于字符串的結(jié)束標(biāo)志位,VS編譯器中為0。

這樣的話,虛函數(shù)表指針就很容易理解了,這個虛函數(shù)表指針指向該虛函數(shù)表,也就是虛函數(shù)指針的值就是上述指針數(shù)組的首地址。

在這里插入圖片描述

四、虛函數(shù)地址

函數(shù)存放在代碼區(qū),虛函數(shù)也不例外。虛函數(shù)表中存放的是虛函數(shù)地址,即代碼區(qū)虛函數(shù)的入口地址。

在這里插入圖片描述

五、多態(tài)

定義一個Father的子類Son,對虛函數(shù)fun1()進(jìn)行重寫。

#include<iostream>
using namespace std;
class Father {
public:
	virtual void fun1() { cout << "Father::fun1()" << endl; }
	virtual void fun2() { cout << "Father::fun2()" << endl; }
	int i;
};

class Son :public Father {
	virtual void fun1() { cout << "Son::fun1()" << endl; }

};
int main()
{
	Son son;
	Father father;
	Father *p = &father;
	p->fun1();
	p->fun2();
    p=&son;
    p->fun1();
    p->fun2();
	return 0;
}

父類中有虛函數(shù),則子類同樣會有一個虛函數(shù)指針,這個指針指向一個新表,如下圖所示:

在這里插入圖片描述

Son類重寫了fun1(),未重寫fun2(),那么虛函數(shù)表中,第一個地址便是重寫的Son::fun1()的地址,第二個地址仍然是父類中Father::fun2()的地址。這里可以在vs調(diào)試模式下,查看father與son的虛函數(shù)表,son表中第二個元素值與father表中第二個元素值相同。

	Father *p = &father;
	p->fun1();
	p->fun2();

p指向Father對象father:

p->fun1():沿著框1->框3->框5的路徑,調(diào)用Father::fun1();

p->fun2():沿著框1->框4->框6的路徑,調(diào)用Father::fun2();

p=&son;
p->fun1();
p->fun2();

p指向子類對象son:

p->fun1():沿著框7->框9->框11的路徑,調(diào)用Son::fun1();

p->fun2():沿著框7->框10->框6的路徑,調(diào)用Father::fun2();

六、通過函數(shù)指針操作調(diào)用虛函數(shù)

現(xiàn)修改main函數(shù)

typedef void(*Fun)(void);
int main()
{

	Father father;
	Son son;
	printf("虛函數(shù)表地址_vfptr:%p\n", *(unsigned int*)(&father));
	printf("第一個虛函數(shù)地址e:%p\n", *(unsigned int*)*(unsigned int*)(&father));
	printf("第二個虛函數(shù)地址f:%p\n", *((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father)+1));

	unsigned char* end = NULL;
	end = (unsigned char*)((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father) + 2);
	printf("結(jié)束符地址d:%p\n", end);
	printf("結(jié)束符值:%d\n", *end);

	Fun pFun = NULL;
	pFun = (Fun)(*((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father) + 1));
	pFun();
    
	return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果:

在這里插入圖片描述

先看一下vs調(diào)試模式下各變量的值

在這里插入圖片描述

將之前的圖修改一下,便于理解:

在這里插入圖片描述

紅框中,father中的_vfptr為0x1270234,對應(yīng)上圖中的_vfptr,即虛函數(shù)表的地址;

數(shù)組[0]值為0x01261447,對應(yīng)上圖中的e,即Father::fun1()的地址;

數(shù)組[1]值為0x0126141a,對應(yīng)上圖中的f,即Father::fun2()的地址。

好了,現(xiàn)在來看一下程序中這些看起來很唬人的東西:

	printf("虛函數(shù)表地址_vfptr:%p\n", *(unsigned int*)(&father));
	printf("第一個虛函數(shù)地址e:%p\n", *(unsigned int*)*(unsigned int*)(&father));
	printf("第二個虛函數(shù)地址f:%p\n", *((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father)+1));
	unsigned char* end = NULL;
	end = (unsigned char*)((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father) + 2);

這里,直接用上圖中的符號進(jìn)行分析,否則,說一通xx的地址、對xx解引用等等,容易把人搞暈。

(1)虛函數(shù)表的地址*(unsigned int*)(&father)

  • a0=&father
  • a1=(unsigned int *)a0
  • _vfptr=*a1

在這里插入圖片描述

注意,這里a0和a1的數(shù)值是一樣的,但只有把地址a0強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成(unsigned int *)類型,解引用時系統(tǒng)才會從該地址向后解析4個字節(jié)空間,解析成一個unsinged int類型數(shù)據(jù)。

(2)第一個虛函數(shù)地址*(unsigned int*)*(unsigned int*)(&father)

  • b=(unsigned int*)_vfptr
  • e=*b

在這里插入圖片描述

(3)第二個虛函數(shù)地址*((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father)+1)

  • c=b+1
  • f=*c

在這里插入圖片描述

(4)結(jié)束符地址(unsigned char*)((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father) + 2)

  • 未強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的d=b+2
  • 強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的d=(unsigned char*)(b+2)

在這里插入圖片描述 

(5)通過函數(shù)指針調(diào)用虛函數(shù)

	Fun pFun = NULL;
	pFun = (Fun)(*((unsigned int*)*(unsigned int*)(&father) + 1));
	pFun();

在這里插入圖片描述

七、結(jié)語

這篇博文包含許多自己理解的內(nèi)容,并在此基礎(chǔ)上畫了圖解,如果有誤,還請指正。

八、參考

C++ 虛函數(shù)表解析

虛函數(shù)表詳解

C++ 虛函數(shù)詳解(虛函數(shù)表、vfptr)

到此這篇關(guān)于C++ 虛函數(shù)表圖文解析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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